способ защиты от атмосферных электрических перенапряжений

Формула изобретения

1. Способ защиты от атмосферных электрических перенапряжений, основанный на осуществлении принудительного разряда грозовой ячейки путем возбуждения устойчиво развивающегося лидера электрического искрового разряда, отличающийся тем, что возбуждение лидера осуществляют созданием по крайней мере одной цепочки зон безэлектродного электрического пробоя воздуха с перекрывающимися оболочками низкотемпературной плазмы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что цепочку зон безэлектродного электрического пробоя создают лазерным излучением.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что создание цепочки зон безэлектродного электрического пробоя осуществляют импульсным лазерным излучением.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что создание цепочки зон безэлектродного электрического пробоя осуществляют серией импульсов лазерного излучения с частотой следования импульсов, превышающей характерную частоту турбулентных пульсаций атмосферы, например 50 импульсов в секунду.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что последовательно во времени создают не менее двух цепочек зон безэлектродного электрического пробоя, смещенных друг относительно друга, по крайней мере, по одной пространственной координате.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а точнее к технике защиты объектов от атмосферных электрических перенапряжений, в том числе от поражения молнией.

С 60-х годов резко возрастает актуальность проблем молнии и молниезащиты. Это обусловлено, во-первых, возрастанием ущерба от аварий при прямых попаданиях молний в объекты, включая летательные аппараты и ракеты различного назначения, большие нефтеналивные танкеры, склады горючих и взрывоопасных веществ и т.д. Во-вторых, воздействие мощных электромагнитных излучений, сопровождающих близкие атмосферные разряды, приводит к большому ущербу от сбоев в электронной аппаратуре, заменившей ранее широко применяемые механические и электромеханические узлы.

Традиционные методы защиты от атмосферных перенапряжений являются, как правило, пассивными методами. К ним относится использование штыревых или тросовых молниеотводов, а также различного рода ограничителей перенапряжений. Преимущественная ориентация на молниеотводы лидеров молний, попадающих в зону ориентировки, и обеспечивает защиту объектов, размещенных на площади, периметр которой является проекцией зоны ориентировки молниеотвода на землю. Эти методы не обеспечивают необходимой защиты из-за относительно высокой вероятности прорыва лидера молнии к объекту. В качестве ограничителей перенапряжений обычно используются специальные воздушные разрядники, прoбивающиеся при поражении молнией электрической цепи. При этом защищаемая цепь закорачивается накоротко, и происходит ее отключение. Такой способ защиты также нельзя признать эффективным.

Другое направление защиты от атмосферных перенапряжений основано на осуществлении принудительного разряда грозового облака. Например, способ молниезащиты, основанный на введении в грозовое облако тонких, сильно вытянутых проводящих элементов (см. Верещагин И.П., Морозов В.С., Стырикович И. М. Влияние коронирующих частиц на электрические характеристики грозового облака, Известия АН СССР, Сер. Энергетика и транспорт, 1986, N 5, с. 84-94). В электрическом поле грозового облака на торцах этих элементов, называемых коронирующими частицами, возникает коронный разряд. В результате коронного разряда образуются свободные ионы, увеличивающие проводимость облачной среды, что и приводит к разряду грозового облака за счет снижения электрического поля до уровня, при котором прекращается коронный разряд с коронирующих частиц. Однако вероятность разряда грозового облака таким методом невелика.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ защиты от атмосферных электрических перенапряжений (см. Юман М. А. Естественная и искусственно стимулированная молния и стандарты на молниезащиту//ТИИЭР, 1988, т.76, N 12, с. 9-16), основанный на осуществлении принудительного разряда грозовой ячейки путем формирования устойчиво развивающегося лидера искрового разряда, где для возбуждения лидера в область электрического поля грозовой ячейки быстро вводят длинный электрический проводник, например ракету с присоединенным отрезком металлической проволоки. Возбуждение лидера происходит из-за большого усиления электрического поля по крайней мере на одном торце проводника. Длина такого проводника с учетом его ориентации в электрическом поле грозовой ячейки, т.е. длина его проекции на направление силовой линии поля, должна быть достаточной для требуемого усиления электрического поля. Большая скорость ввода проводника (обычные скорости запуска малых ракет около 200 м/с) необходима для снижения эффекта уменьшения величины электрического поля на торцах проводника коронным разрядом. Возбуждение устойчиво развивающегося лидера искрового разряда с заземленного проводника приводит к закорачиванию промежутка между грозовой ячейкой и землей и, следовательно, к разряду этой грозовой ячейки. Для незаземленного проводника развитие лидера с какого-либо торца обеспечивает старт второго лидера с противоположного конца проводника. В этом случае закорачивание промежутка между грозовой ячейкой и землей осуществляется двумя разно направленными лидерами искрового разряда.

Однако и этот способ недостаточно эффективен. Вероятность устойчивого формирования лидера при невысокой грозовой активности составляет около 60%. При высокой грозовой активности этот показатель еще больше падает, т.к. естественные разряды в близлежащих соседних областях грозового облака, произошедшие после запуска ракеты, приводят к снижению напряженности поля вблизи ракеты. Поэтому вероятность пропуска инициирования лидера и соответственно разряда грозовой ячейки повышается. При высокой грозовой активности, кроме того, может потребоваться большая частота пусков, т.е. большое количество ракет из-за относительно быстрого восстановления потенциала грозовой ячейки. Таким образом, этот способ не обеспечивает достаточной надежности разряда грозовой ячейки и соответственно высокой эффективности защиты от атмосферных перенапряжений.

Нами теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что в цепочке зон безэлектродного электрического пробоя с перекрывающимися оболочками (оболочка - слой, покрывающий что-либо; Ожегов С.И. Словарь русского языка. - M.: Русский язык, 1986, c. 370) низкотемпературной плазмы в электрическом поле, по напряженности соответствующeм полю грозовой ячейки (0,2 - 0,5 кВ/см), происходит разделение зарядов, достаточное для компенсации этого поля внутри цепочки и соответственно его локального усиления на торцах цепочки, что и обеспечивает возбуждение и устойчивое развитие лидера искрового разряда при создании цепочки зон пробоя требуемой длины в электрическом поле грозовой ячейки.

Техническим эффектом заявляемого изобретения является повышение эффективности защиты от атмосферных электрических перенапряжений.

Такой технический эффект достигается тем, что в известном способе защиты от атмосферных электрических перенапряжений, основанном на осуществлении принудительного разряда грозовой ячейки путем возбуждения устойчиво развивающегося лидера электрического искрового разряда, новым является то, что возбуждение лидера осуществляют созданием по крайней мере одной цепочки зон безэлектродного электрического пробоя воздуха с перекрывающимися оболочками низкотемпературной плазмы.

Цепочка зон безэлектродного электрического пробоя может быть получена при использовании различных длин волн электромагнитного излучения; если цепочку зон электрического пробоя создают лазерным излучением, то необходимая мощность источника излучения будет минимальной.

При создании цепочки зон безэлектродного электрического пробоя импульсным лазерным излучением КПД реализации способа возрастает.

Если создание цепочки зон безэлектродного электрического пробоя осуществлять серией импульсов лазерного излучения с превышающей характерную частоту турбулентных пульсаций атмосферы частотой следования импульсов, например 50 импульсов в 1 с, то при реализации способа энергия в каждом импульсе лазерного излучения будет минимальной.

Если последовательно во времени создают не менее двух цепочек зон безэлектродного электрического пробоя, смещенных друг относительно друга по крайней мере по одной пространственной координате, то понижают затраты на реализацию способа.

На чертеже схематически представлено устройство, реализующее предлагаемый способ, с использованием импульсного лазерного возбуждения лидера 1 искрового разряда созданием цепочки 2 зон 3 безэлектродного электрического пробоя воздуха с перекрывающимися оболочками 4 низкотемпературной плазмы для случая разряда грозовой ячейки 5 облака 6 на землю 7. Устройство содержит источник излучения 8 и систему 9, формирующую пучок 10 излучения. На чертеже показан защищаемый объект 11 и направление электрического поля 12 грозовой ячейки 5 вблизи поверхности земли в точке удара 7.

Работает заявленный способ следующим образом. Так же как и в прототипе, при наличии опасной грозовой активности, когда величина напряженности электрического поля 12 вблизи поверхности земли превышает 0,2-0,3 кВ/см, искусственно возбуждают устойчиво развивающийся лидер 1 электрического искрового разряда. В отличие от прототипа в предложенном решении для возбуждения лидера 1 искрового разряда в области разряжаемого электрического поля грозовой ячейки 5 создают цепочку 2 зон 3 безэлектродного электрического пробоя воздуха с перекрывающимися оболочками 4 низкотемпературной плазмы. На торцах такой цепочки 2 практически мгновенно происходит усиление электрического поля. В усиленном поле с торцов рассматриваемой цепочки зон пробоя стартуют одновременно или поочередно в зависимости от конкретных условий лидеры 1 - начальная фаза искрового разряда. Этот лидерный процесс, распространяясь от торцов цепочки в направлении "электродов", по окончании своего развития замыкает "межэлектродное" пространство облако 6-земля 7 (возможен разряд "облако-облако"), которое и разряжается после этого возвратным ударом - последней фазой искрового разряда. Такой принудительный разряд грозовой ячейки 5 осуществляют в безопасном для защищаемого объекта 11 месте 7, например на некотором расстоянии от него, пока грозовое облако еще не дошло до объекта 11.

Безэлектродный электрический пробой происходит в области фокуса сфокусированного пучка излучения, когда плотность мощности излучения превышает порог, необходимый для электрического пробоя воздуха. Цепочка 2 зон 3 безэлектродного электрического пробоя формируется при слабой фокусировке излучения 10, когда пороговая интенсивность излучения достигается в большом (длинном) фокальном объеме. Характерный размер одной зоны 3 безэлектродного электрического пробоя, например при использовании лазерного излучения, обычно составляет несколько миллиметров, время его формирования не превышает долей микросекунды, а время жизни составляет несколько сотен микросекунд. Плотность таких зон 3 в цепочке 2 зависит как от мощности возбуждающего пучка 10 излучения, так и от физических параметров атмосферы, и в первую очередь от количества и размеров аэрозолей в фокальной области.

Каждая зона 3 безэлектродного электрического пробоя воздуха, имея высокую температуру (обычно десятки тысяч градусов), излучает во все стороны фотоны в широком спектре частот, включая мягкое рентгеновское и ультрафиолетовое излучение. Такие фотоны производят фотоионизацию воздуха вокруг каждой зоны 3 пробоя, образуя оболочку 4 низкотемпературной плазмы. Размер такой низкотемпературной плазменной оболочки 4 обычно характеризуется длинами свободных пробегов ионизирующих воздух фотонов. Средняя длина свободного пробега ионизирующих фотонов может достигать нескольких сантиметров и в общем случае зависит как от температуры самой зоны 3 безэлектродного электрического пробоя, так и от параметров воздуха (состав, плотность, влажность, наличие водяных паров и т.д.). При перекрытии оболочек 4 низкотемпературной плазмы внутри цепочки 2 на протяжении всей ее длины электрическое поле грозовой ячейки 5 компенсируется за счет разделения электрических зарядов в оболочках 4 при их взаимодействии с внешним полем 12. Компенсация электрического поля внутри цепочки 2 зон 3 безэлектродного электрического пробоя как раз и приводит к локальному усилению электрического поля на ее торцах, обеспечивающему старт лидера 1.

Подход к определению требуемой длины цепочки 2 зон 3 безэлектродного электрического пробоя воздуха по предлагаемому техническому решению известен. Для практических оценок необходимой длины цепочки 2 зон 3 безэлектродного электрического пробоя воздуха было получено эмпирическое выражение, связывающее искомую длину с величиной напряженности электрического поля грозовой ячейки в области формирования цепочки с известными из литературы параметрами стримерной зоны лидера 1: градиент электрического поля (E_s) в зоне и ее длина (L_s), при которых имеет место устойчивое развитие лидера 1. Эти параметры, и в первую очередь E_s, зависят от плотности воздуха , а следовательно, от высоты формирования зон безэлектродного электрического пробоя. Как известно, вблизи поверхности земли при нормальных условиях для стартующего первым положительного лидера L_s3 м, а E_s = 5 кВ/см. В расчетах могут использоваться эти величины. Для учета снижения E_s с высотой множителем вводится плотность воздуха. Выражение имеет вид:

L_sd 2(E_s/E₀)L_s/cos(), (1)

где L_sd - эффективная длина цепочки оптического безэлектродного электрического пробоя воздуха, - угол между направлениями цепочки безэлектродного электрического пробоя и силовой линией электрического поля грозовой ячейки. Под эффективной длиной цепочки 2 зон 3 безэлектродного электрического пробоя воздуха подразумевается только та часть полной длины цепочки 2 зон 3 пробоев воздуха, где перекрываются оболочки 4 низкотемпературной плазмы. Зоны 3 безэлектродного электрического пробоя на торцах цепочки 2, не вошедшие в ее эффективную длину, также усиливают поле вблизи торцов, но их влияние незначительно. Оценки, выполненные по этой формуле, показывают, что в реальных грозовых полях необходимы длины цепочек 2 по предлагаемому решению на уровне сотни метров, в то время как для прототипа обычно используются в 2-2,5 раза большие длины.

Пример расчета и работы моделирующего устройства, реализующего предложенный способ. В предложенном способе, так же как и в прототипе, как вероятность возбуждения лидера, так и итоговая эффективность защиты определяются главным образом усилением электрического поля на торцах объекта, возбуждающего лидер искрового разряда. В свою очередь усиление поля определяется длиной и шириной проводящего объекта. Поэтому были численно рассчитаны коэффициенты усиления внешнего поля металлическими моделями цепочек зон безэлектродного электрического пробоя в зависимости от длины и ширины модели для таких геометрических параметров электрического поля, которые впоследствии были реализованы в экспериментальных исследованиях искажений электрического поля цепочками зон безэлектродного электрического пробоя воздуха, включая и обычно наблюдаемые грозовые поля вблизи земли напряженностью около 300 В/см. Эти коэффициенты далее использовались для определения граничных условий и геометрических параметров трехкомпонентной математической модели воздушной плазмы, возбуждаемой фотонами зоны безэлектродного электрического пробоя. Модель учитывает кинетику заряженных частиц воздушной плазмы и их влияние на электрическое поле. Это позволяет численно рассчитывать формы импульсов токов переходных процессов в воздушной низкотемпературной плазме во внешнем электрическом поле. Численные эксперименты с такой математической моделью подтвердили возможность достижения требуемых коэффициентов усиления внешнего электрического поля цепочкой зон безэлектродного электрического пробоя с перекрывающимися оболочками низкотемпературной плазмы и позволили получить параметры импульсов плотностей поляризационных токов плазмы для последующего сравнения с результатами экспериментов.

На предприятии была собрана экспериментальная установка из двух плоских электродов, каждый площадью около 1,2 м², расположенных на расстоянии 2 м друг от друга. К потенциальному электроду подключался выход источника постоянного напряжения, обеспечивающего возможность подачи на электрод отрицательного напряжения вплоть до 220 кВ. Другой электрод через измерительный резистор величиной 75 Ом был соединен с землей. Электроды имели отверстия для пропускания лазерного пучка внутрь межэлектродного промежутка диаметром 5 см. Максимальная энергия импульса излучения CO₂ лазера при длительности около 1 мкс достигала 90 Дж, что позволяло формировать лазерную искру в разрядном промежутке с максимальной длиной между крайними зонами безэлектродного электрического пробоя около 1,1 м. Плотность зон пробоя превышала величину 50 м^-1. В экспериментах измерялся импульс тока смещения при разделении зарядов в фотоионизационной плазме цепочки зон безэлектродного электрического пробоя во внешнем поле. Сравнение экспериментального импульса поляризации и рассчитанного в численном эксперименте для таких же геометрических параметров плазмы позволило убедиться в достижении коэффициентов усиления электрического поля цепочкой зон электрического пробоя практически таких же, какие обеспечивают геометрически подобные ей металлические проводники. В экспериментах был также оценен характерный размер фотоионизационной оболочки отдельной зоны электрического пробоя около 2-3 см.

Серия экспериментов с напряжениями от 50 до 220 кВ и длинами цепочек зон безэлектродного электрического пробоя воздуха от 0,05 и до 1,1 м показала соответствие расчетных и измеренных значений усиления электрического поля в разрядном промежутке с относительной погрешностью не хуже 42% во всем исследованном диапазоне длин цепочек и напряженностей электрического поля. Такие результаты подтвердили возможность реализации предложенного способа с высокой эффективностью.

Формирование цепочки зон безэлектродного электрического пробоя воздуха возможно различными длинами волн электромагнитного излучения. Однако длинноволновое излучение, хотя и хорошо распространяется в атмосфере, имеет относительно низкую напряженность электрической волны. Ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения, наоборот, имеют слишком высокую энергию квантов. Поэтому такие излучения относительно быстро поглощаются атмосферой. Обе области электромагнитных излучений поэтому могут быть использованы лишь при высокой интенсивности. Требуемую интенсивность, а следовательно, и мощность источника излучения понижают, используя лазерное излучение (п.2), обладающее достаточной энергией квантов и хорошо распространяющееся в атмосфере.

Цепочка зон безэлектродного электрического пробоя воздуха возникает в момент, когда плотность мощности формирующего ее излучения превышает некоторую пороговую величину практически вне зависимости от временной формы излучения, и искажает электрическое поле на своих торцах за несколько последующих микросекунд. Используя импульсное лазерное излучение, увеличивают КПД при реализации способа (п.3).

В условиях реальной грозовой атмосферы может быть затруднена транспортировка лазерной энергии в требуемую область пространства. Это обуславливается туманом, капельками воды, аэрозолями и т.д. на трассе луча. Поэтому для получения цепочки зон безэлектродного электрического пробоя воздуха требуемой длины может потребоваться большая энергия лазерного импульса. Улучшая доставку энергии в требуемую область пространства за счет просветления трассы, используют серию из не менее чем двух импульсов (п.4). Первыми импульсами серии просветляют трассу, а последним формируют цепочку зон безэлектродного электрического пробоя. Для обеспечения попадания фокусом лазерного луча в одну и ту же точку пространства частоту следования импульсов выбирают не ниже характерной частоты турбулентных пульсаций плотности воздуха в атмосфере. Так как эти частоты вблизи земли составляет обычно 10-20 Гц, то частота следования лазерных импульсов может быть около 50 импульсов в 1 с.

В предложенном способе, как и в прототипе, устойчивое формирование лидерного процесса определяется величиной напряженности электрического поля в области формирования цепочек безэлектродного электрического пробоев. Грозовая ситуация, однако, может меняться относительно быстро, особенно в условиях повышенной грозовой активности. В таких условиях формируют последовательно во времени несколько, не менее двух, цепочек зон безэлектродного электрического пробоя воздуха, смещенных друг относительно друга по крайней мере по одной пространственной координате (п.5). Тогда одна из этих цепочек обязательно будет сформирована в области максимального поля, достаточного для инициации лидера, что и обеспечит повышенную надежность разряда грозовой ячейки. В этом случае достаточно контролировать величину электрического поля всего одним датчиком, а может быть и просто проводить профилактическое сканирование без контроля величины поля. При этом понижаются затраты на реализацию способа.

Разряд грозовой ячейки предложенным способом эффективен по ряду причин. Во-первых, суммарное время формирования цепочки зон безэлектродного электрического пробоя воздуха во много раз меньше времени, необходимого свободным зарядам атмосферы для экранировки достигнутого усиления электрического поля. В прототипе даже при скоростях ввода проводящего объекта в область поля грозовой ячейки около 200 м/с не удается избежать частичного экранирования. Во-вторых, наличие в оболочках низкотемпературной плазмы большого количества свободных электронов и ионов, сконцентрированных на торцах цепочки в относительно небольших объемах, также способствуют старту и устойчивому развитию лидерных процессов при меньших полях, чем у прототипа. И наконец, формирование цепочки зон безэлектродного электрического пробоя осуществляют всего за несколько микросекунд, так что грозовая обстановка практически не изменяется за это время. Напротив, проводник прототипа достигает высоты, на которой может возникнуть лидер, не менее чем за 1,5-2 с, что в условиях высокой грозовой активности может привести к такому изменению грозовой ситуации, что формирование лидера и соответственно разряд грозовой ячейки в требуемой области становится невозможным.

Не вызывает сомнений, что в настоящее время только путем активного управления разрядом молнии можно увеличить надежность молниезащиты. Принудительное полное или по крайней мере частичное снятие заряда с грозового облака в комплексе с традиционными способами может обеспечить достаточно высокую степень защиты. Предварительный разряд грозового облака на безопасном расстоянии от объекта снижает вероятность разряда молнии над ним. Такой разряд, произведенный на достаточном удалении от объекта, понизит ущерб и из-за снижения мощности электромагнитных излучений. Высокая надежность инициации атмосферного разряда позволит создавать относительно разряженные каналы в облаках, например для обеспечения безопасной посадки летательных аппаратов или для защиты особо важных ЛЭП и т.д. На безопасном расстоянии от объекта стимулированный разряд можно направлять непосредственно в землю или организовывать стимулированный межоблачный разряд, поэтому такие установки могут быть достаточно мобильными, базируясь, например, на летательных аппаратах. На основании вышеизложенного можно ожидать широкого использования предлагаемого способа и соответственно значительной экономии при внедрении предложенного способа в народном хозяйстве.