RU114235U1 - SAFE LIGHTING PROTECTION DEVICE - Google Patents

Abstract

Безопасное устройство молниезащиты, содержащее молниеприемник, соединенный с заземлителем через токоотвод, отличающееся тем, что молниеприемник выполнен в виде оболочки, имеющей форму сферы купола или конуса, увенчанной стержнем, а нижняя часть ее соединена через токоотвод с центральным вертикальным электродом заземлителя, верх которого выполнен в виде купола, а низ погружен в металлические опилки, центральный электрод соединен с другими вертикальными и горизонтальными электродами, имеющими V-образные острия, внешние вертикальные электроды соединены с шинами, образующими контур защищаемой площади, вне которого расположены молниеотводы-ловушки. A safe lightning protection device containing a lightning rod connected to the ground electrode through a down conductor, characterized in that the lightning rod is made in the form of a shell in the form of a sphere of a dome or a cone, topped with a rod, and its lower part is connected through a down conductor to the central vertical electrode of the ground electrode, the top of which is made in in the form of a dome, and the bottom is immersed in metal filings, the central electrode is connected to other vertical and horizontal electrodes having V-shaped points, the external vertical electrodes are connected to the buses, which form a contour of the protected area, outside of which lightning traps are located.

Description

Полезная модель относится к средствам защиты объектов различного назначения при прямом или близком воздействии молниевых разрядов, электромагнитных импульсов (ЭМИ), коротких замыканий и коммутаций энергооборудования, в частности к средствам молниезащиты промышленных или жилых зданий и сооружений, а также искроопасных объектов энергетики, нефтегазовых, химических, оборонных и других отраслей народного хозяйства.The utility model relates to means of protection of objects for various purposes with direct or close exposure to lightning discharges, electromagnetic pulses (EMP), short circuits and switching of power equipment, in particular to lightning protection means of industrial or residential buildings and structures, as well as spark-hazardous objects of energy, oil and gas, chemical , defense and other sectors of the economy.

Известны сосредоточенные заземлители, в которых при нарастании или спаде тока происходят искровые разряды в грунт при высоких напряжениях пробоя, сопровождаемые механическими и акустическими ударными процессами. (Бургсдорф В.В., Якобс А.И. Заземляющие устройства электроустановок. - М.: Энергоатомиздат, 1987 - 400с. стр.309).Concentrated earthing switches are known in which sparks discharge into the ground during high or low currents at high breakdown voltages, accompanied by mechanical and acoustic shock processes. (Burgsdorf V.V., Jacobs A.I. Grounding devices of electrical installations. - M.: Energoatomizdat, 1987 - 400 p. 309).

Недостаток сосредоточенных заземлителей состоит в низкой эффективности и высокой искроопасности по отношению к воздействию импульсов тока и напряжений с высокой скоростью нарастания и большой длительности, что вызывает высокие потенциалы на внешних токоотводах. При этом создаются скользящие вдоль поверхности земли искровые разряды, инициирующие восходящие стримеры в местах ввода токоотвода в заземлитель в грозовых условиях и при воздействии ЭМИ, возникают электрические и механические резонансные явления. Сезонные условия, ударноакустические воздействия, коррозионные процессы на поверхности электродов повышают напряжения пробоя из-за появления неэлектропроводных слоев окислов, воздушных зазоров, снижающих площадь соприкосновения с грунтом, в результате чего необходимо создавать разветвленную сеть заземляющих устройств, чтобы обеспечить низкие значения сопротивлений заземления по нормам электробезопасности.The disadvantage of concentrated grounding conductors is their low efficiency and high spark hazard with respect to the effects of current pulses and voltages with a high slew rate and a long duration, which causes high potentials on external down conductors. In this case, spark discharges sliding along the earth's surface are created, initiating ascending streamers at the places where the collector enters the ground electrode in thunderstorm conditions and when exposed to electromagnetic radiation, electrical and mechanical resonance phenomena occur. Seasonal conditions, shock and acoustic processes on the surface of the electrodes increase breakdown voltages due to the appearance of non-conductive oxide layers, air gaps, which reduce the area of contact with the ground, as a result of which it is necessary to create an extensive network of grounding devices to ensure low grounding resistance values according to electrical safety standards .

Известна конструкция устройства для молниезащиты (патент РФ № 2382464 от 23.01.2009) Молниеотвод содержит металлическую мачту и стержневой молниеприемник. При этом металлическая мачта выполнена в виде конической конструкции с радиусом сечения, уменьшающимся от ее основания к вершине. Металлическая мачта размещена внутри экранирующей оболочки, состоящей из набора тонких металлических проводников, установленных с равным шагом. Радиус окружности, по которой установлены проводники, нарастает от основания оболочки к ее вершине. Верхние концы проводников закреплены в верхней части металлической мачты посредством фланцевого соединения. Фланцевое соединение размещено внутри торообразного электростатического экрана. Стержневой молниеприемник жестко закреплен в центре металлической мачты, а металлическая мачта жестко закреплена на фундаменте. Нижняя часть металлической мачты установлена в емкость с водой. Заземлитель выполнен в виде многолучевой конструкции, сообщенной с емкостью с водой и изготовленной из труб с дренажными отверстиями, позволяющими производить капельный полив грунта.A known design of a device for lightning protection (RF patent No. 2382464 from 01/23/2009) The lightning rod contains a metal mast and a rod lightning rod. In this case, the metal mast is made in the form of a conical structure with a section radius decreasing from its base to the top. A metal mast is placed inside the shielding, consisting of a set of thin metal conductors installed with equal pitch. The radius of the circle along which the conductors are installed increases from the base of the shell to its apex. The upper ends of the conductors are fixed in the upper part of the metal mast through a flange connection. The flange connection is placed inside a toroidal electrostatic shield. The rod lightning rod is rigidly fixed in the center of the metal mast, and the metal mast is rigidly fixed on the foundation. The lower part of the metal mast is installed in a container of water. The earthing switch is made in the form of a multi-beam structure in communication with a water tank and made of pipes with drainage holes that allow drip irrigation of the soil.

Недостатком известной конструкции является использование металлических элементов, которые подвергаются коррозионным процессам на поверхности электродов, повышают напряжения пробоя из-за появления неэлектропроводных слоев окислов, воздушных зазоров, что снижает долговечность и уменьшает экономическую эффективность при эксплуатации. Кроме того, данная конструкция имеет ограниченное использование по территориальным признакам, например в условиях вечной мерзлоты, а также в южных районах при температуре грунта выше 30 град С вокруг труб прорастают споры грибов и корни растений.A disadvantage of the known design is the use of metal elements that undergo corrosion processes on the surface of the electrodes, increase the breakdown voltage due to the appearance of non-conductive oxide layers, air gaps, which reduces durability and reduces economic efficiency during operation. In addition, this design has limited use by territorial characteristics, for example, in permafrost conditions, as well as in southern regions with soil temperatures above 30 degrees C, spores of fungi and plant roots grow around the pipes.

Так же недостатком известной конструкции является эксплуатация стальных элементов заземлителя в условиях повышенной влажности, которые коррозируют. В результате на поверхности электродов появляются неэлектропроводные слои окислов, повышающие амплитуду искрового пробоя последующих разрядов. Увеличивающая ударная энергия искрового пробоя уплотняет грунт, что вызывает появление воздушного зазора между электродом и грунтом. Кроме того, капельный полив в трубах заземлителя имеет ограниченное использование по территории РФ:Also a disadvantage of the known design is the operation of the steel elements of the ground electrode under conditions of high humidity, which corrode. As a result, non-conductive oxide layers appear on the surface of the electrodes, increasing the amplitude of the spark breakdown of subsequent discharges. The increasing shock energy of the spark breakdown compacts the soil, which causes an air gap between the electrode and the soil. In addition, drip irrigation in the grounding pipes has limited use throughout the Russian Federation:

- неприменимо в условиях вечной мерзлоты;- not applicable in permafrost;

- неприменимо в регионах, где температура грунта выше 30°С, т.к в таких тропических условиях вокруг труб будут прорастать споры грибов и корни растений, которые нарушать контакт электродов с грунтом.- not applicable in regions where the temperature of the soil is above 30 ° C, because under such tropical conditions spores of fungi and plant roots will grow around the pipes, which disrupt the contact of the electrodes with the soil.

Известны устройства для молниезащиты, применяемые для защиты наземных объектов, содержащие стержневой молниеприемник, токоотвод и сосредоточенные заземлители, выполненные в соответствии с рекомендациями документа СО-153-34.21.122.2003 «Инструкция про устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций». Издательство МЭИ, М., 2004.Known devices for lightning protection, used to protect ground objects, containing a rod lightning rod, a down conductor and concentrated ground electrodes, made in accordance with the recommendations of document SO-153-34.21.122.2003 "Instructions for lightning protection devices for buildings, structures and industrial communications." MEI Publishing House, M., 2004.

Вызывая разряд на себя, молниеотводы любого типа, практически всегда создают непредсказуемые деградации на защищаемом объекте. Много случаев, когда разряд приходится в объект минуя защитный молниеотвод, например, в нефтегазовые резервуары, перекачивающие станции, высотные объекты зарезонанской высоты.Causing a discharge on themselves, lightning rods of any type almost always create unpredictable degradation on the protected object. There are many cases when a discharge falls into an object bypassing a protective lightning conductor, for example, into oil and gas tanks, pumping stations, high-altitude objects of a zarazonan height.

Задачей полезной модели является повышение эффективности защиты от воздействия молниевых разрядов.The objective of the utility model is to increase the efficiency of protection against lightning discharges.

Технический результат заключается в создании условий, препятствующих возникновению нисходящих разрядов и искрообразования при воздействии токов и напряжений импульсов больших значений. Плавные изгибы соединений электродов и шин действуют как компенсаторы искровых осцилляции, а также теплового и механического воздействия грунта. Неодинаковая длина горизонтальных лучей, отходящих от центрального вертикального электрода необходима для исключения резонансных явлений, вызванных электрическими ударными воздействиями больших токов молниевых разрядов, ЭМИ, механическими ударами при воздействиях на надземный объект и грунт землетрясений, близких взрывов, ударных волн.The technical result is to create conditions that prevent the occurrence of downward discharges and sparking when exposed to currents and voltage pulses of large values. The smooth bends of the electrode and busbar joints act as compensators for spark oscillations, as well as thermal and mechanical effects of the soil. The unequal length of horizontal rays emanating from the central vertical electrode is necessary to exclude resonance phenomena caused by electric shock effects of large lightning currents, electromagnetic radiation, mechanical shocks when an earthquake, close explosions, shock waves are exposed to an above-ground object and soil.

Острия покрыты электроположительным веществом типа окиси бария, снижающим работу выхода электронной эмиссии тока с остриев с 8-10 эВ до 2-5 эВ. Одновременное зажигание разряда с остриев, надежное использование всей поверхности электродов устройства создают ионизированное пространство без ударных явлений.The tips are coated with an electropositive substance such as barium oxide, which reduces the work function of the electron emission of current from the tips from 8-10 eV to 2-5 eV. The simultaneous ignition of the discharge from the tips, the reliable use of the entire surface of the electrodes of the device create an ionized space without shock phenomena.

Поставленная задача достигается тем, что устройство безопасной молниезащиты содержит молниеприемник, соединенный с заземлителем через токоотвод. Молниеприемник выполнен в виде оболочки, имеющей форму сферы купола или конуса, увенчанной стержнем, а нижняя часть ее соединена через токоотвод с центральным вертикальным электродом заземлителя. Верх заземлителя выполнен в виде купола, а низ погружен в металлические опилки. Центральный электрод соединен с другими вертикальными и горизонтальными электродами, имеющими V-образные острия. Внешние вертикальные электроды соединены с шинами, образующими контур защищаемой площади, вне которого расположены молниеотводы-ловушки.This object is achieved in that the safe lightning protection device comprises an air terminal connected to the ground electrode through a down conductor. The air terminal is made in the form of a shell having the shape of a sphere of a dome or cone topped with a rod, and its lower part is connected through a down conductor to the central vertical electrode of the ground electrode. The top of the ground electrode is made in the form of a dome, and the bottom is immersed in metal filings. The central electrode is connected to other vertical and horizontal electrodes having V-shaped tips. External vertical electrodes are connected to the buses forming the contour of the protected area, outside of which are located lightning rods-traps.

Сущность технического решения поясняется чертежами.The essence of the technical solution is illustrated by drawings.

На фиг.1 показан молниеприемник, на фиг.2 изображен общий вид устройства молниезащиты, выполненный для прожекторной мачты. На фиг.3 показан внешний вертикальный электрод заземлителя. На фиг.4 показан план размещения четырехлучевых подземных шин и расположение объектов на защищаемой площади. Сетчатые заземлители под объектами и вокруг них условно не показаны.Figure 1 shows the air terminal, figure 2 shows a General view of the lightning protection device, made for a searchlight mast. Figure 3 shows the external vertical electrode of the ground electrode. Figure 4 shows the layout of four-beam underground tires and the location of objects on the protected area. Mesh grounding conductors under and around the objects are conditionally not shown.

Безопасное устройство молниезащиты состоит:A safe lightning protection device consists of:

1 - стержень, выполненный из меди, например, длиной 0,5-0,7 метра и диаметром 15 мм;1 - a rod made of copper, for example, 0.5-0.7 meters long and 15 mm in diameter;

2 - молниеприемник - купол, состоящий из конуса, переходящего в контур поверхности фигуры тора, минимизирующий концентрацию электрического поля; 3 - переходник, соединяющий купол с токоотводом;2 - lightning rod - a dome, consisting of a cone, passing into the contour of the surface of the figure of the torus, minimizing the concentration of the electric field; 3 - adapter connecting the dome with the down conductor;

4 - токоотвод, выполненный в виде трубы, набирается из отдельных секций до необходимой высоты устройства; 5 - заземлитель;4 - down conductor, made in the form of a pipe, is dialed from separate sections to the required height of the device; 5 - ground electrode;

6 - прожекторная площадка;6 - floodlight;

7 - центральный электрод заземлителя;7 - the central electrode of the ground electrode;

8 - V-образные острия из прутка 2,5-3 мм;8 - V-shaped points from a bar 2.5-3 mm;

9 - отогнутые клинья;9 - bent wedges;

10 - купол заземлителя, выполненный из медного или нержавеющей стали прутка 2,5-3 мм;10 - earthing switch dome made of copper or stainless steel bar 2.5-3 mm;

11 - полупроводящий (сыпучий) искроразрядный слой, может быть выполнен из некоррозируемых металлических опилок (50-60%), угля и отожженного речного песка 10%;11 - semiconducting (granular) spark-discharge layer, can be made of non-corrosive metal sawdust (50-60%), coal and annealed river sand 10%;

12 - горизонтальные электроды, соединяющие электрод 7 с внешними электродами по многолучевой схеме (от 2-х до 6-ти лучей), выполнены из трубы или плоской шины;12 - horizontal electrodes connecting the electrode 7 with the external electrodes according to the multipath scheme (from 2 to 6 beams), are made of a pipe or a flat bus;

13 - насыпная подушка из токопроводящей (или обычной) глины;13 - bulk pillow of conductive (or ordinary) clay;

14 - кабель питания прожекторов;14 - power cable for searchlights;

15 - распределительный щит питания с экранирующим кожухом;15 - power distribution board with a shielding;

16 - место монтажа внешнего вертикального электрода;16 - place of installation of the external vertical electrode;

17 - внешний вертикальный электрод, выполнен в виде трубы;17 - external vertical electrode, made in the form of a pipe;

18 - шины, соединяющие внешние вертикальные электроды 17 с внешней шиной18 - tires connecting the external vertical electrodes 17 with the external bus

19 - контуры защищаемой площади19 - contours of the protected area

20 - защищаемые объекты;20 - protected objects;

21 - молниеотвод-ловушка должен находиться дальше от объекта 20 на расстоянии более 20-25 метров от шины 19.21 - lightning rod-trap should be further from the object 20 at a distance of more than 20-25 meters from the bus 19.

Ео и Ев на фигуре 1 - это направление вектора напряженности электрического поля от поверхности земли к туче и противодействующего поля объемного заряда вокруг купола. Купол 2 молниеприемника, переходник 3, токоотвод 4, электроды 7 и 17 могут выполняться из медного листа толщиной 2 мм. Токоотвод 4 составляется из отдельных секций 4-6 метров диаметром 100 мм. Длина центрального электрода 7 заземлителя составляет 5-7 метров, внешних электродов 17-5-6 метров. Токоотвод 4 и центральный электрод 7 заземлителя стыкуются соосно.Eo and Ev in figure 1 is the direction of the electric field vector from the surface of the earth to the cloud and the opposing field of the space charge around the dome. Dome 2 of the air terminal, adapter 3, down conductor 4, electrodes 7 and 17 can be made of copper sheet 2 mm thick. The collector 4 is composed of individual sections of 4-6 meters with a diameter of 100 mm. The length of the central electrode 7 of the ground electrode is 5-7 meters, the external electrodes 17-5-6 meters. The collector 4 and the central electrode 7 of the ground electrode are aligned coaxially.

Кабели 14 внешнего питания, управления и связи проложены в трубе и проходят через распределительный щит 15.Cables 14 of external power supply, control and communication are laid in the pipe and pass through the switchboard 15.

Безопасное устройство молниезащиты работает следующим образом.Safe lightning protection device operates as follows.

При прохождении грозового фронта заряженная туча индуцирует на поверхности земли в слое 0,1-0,3 метра заряды противоположной полярности нижнего слоя облака. В результате чего в пространстве «земля-туча» напряженность электрического поля Ео повышается до 8-30 кВ/м.When passing through a thunderstorm front, a charged cloud induces charges of the opposite polarity of the lower layer of the cloud on the earth's surface in a layer of 0.1-0.3 meters. As a result, in the earth-cloud space, the electric field Eo rises to 8-30 kV / m.

Соответственно на вершине молниеприемника (на куполе 2) ожидаемый потенциал составит U_п=Ео hв, где hв - высота молниеприемника над поверхностью земли. Если принять Ео=20 кВ/м, а hв=30 метров, то тогда потенциал будет равен U_п=600 киловольт.Accordingly, at the top of the air terminal (on dome 2), the expected potential is U _p = Ео hв, where hв is the height of the air terminal above the earth's surface. If we take Ео = 20 kV / m, and hв = 30 meters, then the potential will be equal to U _p = 600 kilovolts.

Под воздействием такого высокого потенциала заряды, индуцированные тучей, стягиваются с защищаемой площади контура 19 через шины 18 и горизонтальные электроды 12 к центральному электроду 7 заземлителя 5. Проходя через электроды заземлителя 5 большая часть зарядов диффузионно рассеивается через V-образные острия. При этом окружающий электроды грунт ионизируется, что еще более повышает скорость процесса нейтрализации стягиваемых зарядов.Under the influence of such a high potential, the charges induced by the cloud are pulled together from the protected area of the circuit 19 via the buses 18 and horizontal electrodes 12 to the central electrode 7 of the ground electrode 5. Passing through the electrodes of the ground electrode 5, most of the charges are diffusely scattered through the V-shaped points. At the same time, the soil surrounding the electrodes is ionized, which further increases the speed of the process of neutralization of contracted charges.

Оставшаяся часть зарядов вызывает в токоотводе 4 по направлению к куполу 2 (или от него) ток. Высокая напряженность поля Ео, воздействующая на проводящую сферу купола 2 индуцирует распределение зарядов, показанное на фигуре 1. Под воздействием такого распределения зарядов внутри пространства купола 2 и в его окрестности по закону индукции образуется противодействующее поле напряженностью Ев. Это поле и образовавшиеся заряды над куполом препятствуют возможности эмиссии восходящего потока зарядов и создают отталкивающее (одноименное) поле для направляющегося сверху нисходящего лидера (стримера). Эквипотенциальная поверхность купола вызывает равномерное растекание зарядов по поверхности, не вызывая локальных мест повышения критических напряженностей электрического поля, превышающих работу выхода электронов с поверхности материала.The remaining part of the charges in the collector 4 in the direction of the dome 2 (or from it) current. The high field strength E0 acting on the conducting sphere of the dome 2 induces a charge distribution shown in Figure 1. Under the influence of such a charge distribution inside the space of the dome 2 and in its vicinity, an opposing field of intensity EV is formed by the law of induction. This field and the formed charges above the dome impede the possibility of emission of an upward flow of charges and create a repulsive (like) field for the descending leader (streamer) heading from above. The equipotential surface of the dome causes a uniform spreading of charges over the surface, without causing local places of increase in critical electric field strengths that exceed the work function of the electrons from the surface of the material.

Купол 2, токоотвод 4 и центральный электрод 7 заземлителя 5 выполнены из медного листа. Их электрическое сопротивление в десять раз ниже, чем сопротивление стальных элементов опорной конструкции. Соответственно, выше фазовая скорость распространения волны тока, что является дополнительной защитой от воздействия импульсов тока с высокой крутизной нарастания (спада), в том числе и воздействий ЭМИ. Использование медных элементов устройства молниезащиты существенно снижает скорость коррозионных процессов, что повышает остаточный ресурс и уменьшает необходимость периодических процедур диагностики (обслуживания).The dome 2, the collector 4 and the central electrode 7 of the ground electrode 5 are made of copper sheet. Their electrical resistance is ten times lower than the resistance of the steel elements of the supporting structure. Accordingly, the phase velocity of the current wave propagation is higher, which is additional protection against the action of current pulses with a high rise (fall) slope, including the effects of electromagnetic radiation. The use of copper elements of the lightning protection device significantly reduces the speed of corrosion processes, which increases the residual life and reduces the need for periodic diagnostic (maintenance) procedures.

Предлагаемое безопасное устройство молниезащиты, выполнено на новых принципах, что повышает безопасность объектов и является надежным.The proposed safe lightning protection device is made on new principles, which increases the safety of objects and is reliable.

Конструкция устройства молниезащиты найдет массовое применение на взрывопожарных объектах и средах как в комплексном исполнении (фиг.2), так и при использовании купола и заземлителя в отдельности. Устройство безопасной молниезащиты обеспечивает ряд уникальных физических свойств:The design of the lightning protection device will find widespread use on explosive fire facilities and environments both in the integrated version (Fig. 2), and when using the dome and the ground electrode separately. Safe lightning protection device provides a number of unique physical properties:

- стягивание и рассеивание, индуцированных грозой зарядов с защищаемой площади, что снижает энергию восходящего потока зарядов;- contraction and dissipation induced by a thunderstorm of charges from the protected area, which reduces the energy of the upward flow of charges;

- воздействие на сферу купола электрического поля высокой напряженности Ео вызывает противодействующее поле напряженностью Ев обратной полярности;- the impact on the sphere of the dome of the electric field of high intensity Eo causes a counteracting field with a strength Ev of reverse polarity;

протекающие по токоотводу заряды взаимодействуют с противодействующем полем Ев, расширяют зону влияния этого поля Ев вокруг купола, создавая вокруг него объемный заряд, сцепленный с полем Ев;charges flowing through the collector interact with the opposing field of the ev, expand the zone of influence of this ev field around the dome, creating a space charge around it, coupled to the ev field;

- приближающийся нисходящий лидер (ветвь) вызывает реактивную индукцию (за счет движения) в объемном заряде противодействующего поля Ев такого же знака, увеличивая его объем и напряженность противодействующего поля;- an approaching descending leader (branch) causes reactive induction (due to movement) in the volumetric charge of the opposing field EV of the same sign, increasing its volume and intensity of the opposing field;

- уже на расстоянии 300-400 метров от купола головка зарядов приближающегося нисходящего лидера (ветви) будет тормозить свое продвижение. Возникающая отталкивающая сила мгновенно изменит направление его движения (даже под прямым углом);- already at a distance of 300-400 meters from the dome, the head of charges of the approaching downward leader (branch) will slow down its progress. The emerging repulsive force will instantly change the direction of its movement (even at right angles);

- двигаясь над защищаемой поверхностью, освобожденной от индуцированных зарядов, где нет восходящих потоков, лидер (ветвь) не может ударит в эту поверхность. Заряд лидера рассыпается при малой энергии, либо переносит удар за пределы защищаемой площади в молниеотвод-ловушку, где созданы благоприятные условия для встречи отвергнутого лидера.- moving over a protected surface, freed from induced charges, where there are no ascending flows, the leader (branch) cannot hit this surface. The leader’s charge disintegrates at low energy, or transfers the blow outside the protected area to the lightning rod-trap, where favorable conditions are created for the rejected leader to meet.

- эквипотенциальные поверхности купола молниеотвода и купола заземлителя противодействуют созданию локальных мест высокой напряженности, которые вызывают искрообразование;- the equipotential surface of the dome of the lightning rod and the dome of the earthing switch counteract the creation of local places of high tension, which cause sparking;

- в случае случайного воздействия прямого молниевого разряда в стержень купола молниеотвода или воздействия ЭМИ, ток будет растекаться по многим направлениям образующей поверхности купола, не вызывая в локальных местах напряженностей, стимулирующих искрообразование;- in case of accidental direct lightning discharge into the rod of the dome of the lightning rod or exposure to EMR, the current will flow in many directions of the forming surface of the dome, without causing tensions in the local places that stimulate sparking;

- кривизна верхней поверхности молниеприемника, по которой растекается ток большой амплитуды и высокой крутизны фронта импульса описывается выражением полукубической параболы у=ах^3/2, где а=0,4-0,5, которая является оптимальной (безударной) кривой при повороте тока высокой крутизны. Когда на отдельном проводнике или плоскости требуется обеспечить минимальное падение напряжения, соединение шин под прямым углом недопустимо. Растекание тока разряда должно происходить по конусной поверхности;- the curvature of the upper surface of the air terminal, along which a current of large amplitude and high slope of the pulse front flows, is described by the expression of a semi-cubic parabola y = ax ^3/2 , where a = 0.4-0.5, which is the optimal (unstressed) curve when the current is turned high steepness. When a minimum voltage drop is required on a separate conductor or plane, the busbar connection at right angles is unacceptable. Spreading of the discharge current should occur along the conical surface;

- медные поверхности купола, секций труб токоотвода и заземлителя предохраняют от коррозии, нанося лаковое покрытие на эти поверхности. Такое покрытие повышает работу выхода электронов из поверхности материала, что дополнительно снижает возможность появления искровых разрядов при критической напряженности электрического поля.- copper surfaces of the dome, sections of the collector pipes and ground electrode protect against corrosion by applying a varnish coating to these surfaces. Such a coating increases the work function of electrons from the surface of the material, which further reduces the possibility of spark discharges at a critical electric field strength.

Использование устройства безопасной молниезащиты позволяет снизить трудоемкость обслуживания, применять для объектов дорезонансных и зарезонансных высот до 500 метров. Размещая купольные конструкции в резонансных зонах высотного объекта (TV башни, радиовышки, здания), обеспечивают защиту боковой поверхности объекта от воздействия прямых ударов.Using a safe lightning protection device can reduce the complexity of maintenance, apply for objects of pre-resonant and resonant heights up to 500 meters. By placing dome structures in the resonance zones of a high-rise object (TV towers, radio towers, buildings), they protect the side surface of the object from direct impacts.

В условиях города поражение, электронных средств от воздействий прямых молниевых разрядов происходит более чем в 10 раз чаще, чем отказы в системах электроснабжения. Молниезащита «интеллектуальных зданий», выполненная с применением предлагаемого способа не менее чем на порядок снизит количество поражений электронных средств от воздействий прямых ударов.In a city, the defeat of electronic means from direct lightning discharges occurs more than 10 times more often than failures in power supply systems. Lightning protection of “intelligent buildings”, performed using the proposed method, will reduce the number of electronic equipment damage from direct impacts by at least an order of magnitude.

Количество лучей в конструкции заземлителя устанавливают с учетом высоты объекта, величины защищаемой площади и проводимости грунта.The number of rays in the design of the ground electrode system is set taking into account the height of the object, the size of the protected area and soil conductivity.

При высоте молниеотвода до 30 метров применяют 2-х лучевую схему. При высоте 100-120 метров применяют 6-ти лучевую схему заземлителя.With a lightning rod height of up to 30 meters, a 2-beam scheme is used. At a height of 100-120 meters, a 6-beam ground electrode system is used.

Длина каждого луча заземлителя составляет 10-14 метров. В грунте с большей проводимостью используют меньшую длину луча. В грунте с меньшей проводимостью используют большую длину луча.The length of each beam of the ground electrode is 10-14 meters. In soil with higher conductivity, a shorter beam length is used. In soil with lower conductivity, a longer beam length is used.

За пределами защищаемой площади должен находиться излучающий молниеотвод-ловушка, куда и будет разряжать свою энергию отвергнутый нисходящий лидер. В качестве таких ловушек-излучателей могут служить отдельные деревья, прожекторные вышки, специальные молниеотводы, удары в которые не вызовут отказы и деградации технических средств.Outside the protected area there should be a radiating lightning rod-trap, where the rejected downward leader will discharge his energy. Separate trees, searchlight towers, special lightning rods, which would not cause failures and degradation of technical equipment, can serve as such traps-emitters.

Безопасное устройство молниезащиты найдет массовое применение на объектах высотой Н=50-40 метров (дорезонансной высоты) при 5-ти, 6-ти лучевых схемах, 1-1=25-40 - при 4-х; Н=15-25 - при 3-х -4-х; Н=10-15 - при 2-х-3-х лучевых схемах. Особенно эффективно работает устройство для одиночных мачт, вышек (например, пограничных, радиорелейных, молниезащитных) дымовых труб, ветростанций, антенн, нефтегазовых, энергетических, оборонных объектов и т. п.), для необслуживаемых объектов. Возможно использование устройства для молниезащиты при доработке заземлителей, действующих в составе искроопасных и взрывопожарных средств, для высотных, зарезонансных, более 100 метров, объектов, чтобы уменьшить возможность восходящих разрядов за счет снижения поступления зарядов, стягиваемых с защищаемой поверхности в молниеотвод объекта.A safe lightning protection device will find widespread use at objects with a height of H = 50-40 meters (pre-resonance height) with 5, 6 beam schemes, 1-1 = 25-40 - with 4; H = 15-25 - at 3 -4-x; H = 10-15 - with 2-x 3-ray schemes. The device is especially effective for single masts, towers (for example, border, radio relay, lightning protection) chimneys, wind farms, antennas, oil and gas, energy, defense objects, etc.), for maintenance-free objects. It is possible to use a device for lightning protection in the refinement of grounding conductors, which are part of spark-hazardous and explosive means, for high-altitude, resonant, more than 100 meters objects, in order to reduce the possibility of upward discharges by reducing the flow of charges pulled from the protected surface into the object's lightning conductor.

Низкое искровое сопротивление заземления способствует: снижению (0,1-10 мкс) длительности разряда накопленного в молниеприемнике объемного заряда, накопленной индуктивной и механической энергии в токоотводе и металлоконструкции объекта после первого импульса; уменьшению амплитуды и длительности импульса напряжения обратного знака в системе «молниеприемник-токоотвод-заземление» (МТЗ), возникающего после окончания тока 1-го импульса молниевого разряда; исключения прямых ударов молнии 2-го и последующих импульсов в бок и подножье объекта (на примерах TV башен); ослабление резонансных явлений в элементах МТЗ, при воздействии токов импульса (нисходящего молниевого разряда, ЭМИ) высокой крутизны.Low spark resistance of grounding contributes to: reduction (0.1-10 μs) of the discharge duration of the space charge accumulated in the air terminal, the accumulated inductive and mechanical energy in the down conductor and the metal structure of the object after the first pulse; reducing the amplitude and duration of the voltage pulse of the opposite sign in the system "lightning rod-down conductor-grounding" (MTZ) that occurs after the end of the current of the 1st pulse of a lightning discharge; elimination of direct lightning strikes of the 2nd and subsequent impulses to the side and foot of the object (for example, TV towers); attenuation of resonance phenomena in the elements of the MTZ, when exposed to pulse currents (downward lightning discharge, EMP) of high steepness.

При оптимальном выборе материалов, их покрытий для длительной эксплуатации в коррозионной среде грунта, трактуемой как слабый электролит, без применения химически активных веществ, обеспечит высокую коррозионную совместимость элементов устройства. Оцениваемая долговечность предлагаемой конструкции устройства для молниезащиты составляет 25-50 лет в зависимости от агрессивности окружающей среды.With an optimal choice of materials, their coatings for long-term operation in a corrosive soil environment, treated as a weak electrolyte, without the use of chemically active substances, it will provide high corrosion compatibility of the device elements. The estimated durability of the proposed design of the device for lightning protection is 25-50 years, depending on the aggressiveness of the environment.

Экономическая эффективность от применения безопасного устройства молниезащиты обеспечивается за счет:Economic efficiency from the use of a safe lightning protection device is ensured by:

- исключения наземных и подземных искрений, превышающих энергию воспламенения углеводородных фракций;- exceptions of ground and underground sparks exceeding the ignition energy of hydrocarbon fractions;

- исключения возникновения восходящих стримеров при грозе и воздействии ЭМИ;- excluding the occurrence of ascending streamers during a thunderstorm and exposure to electromagnetic radiation;

- снижения в 10-100 раз заноса потенциала импульса по цепям вторичных источников питания, управления и связи при воздействиях молний, коротких замыканий, ЭМИ и коммутаций;- reduction by 10-100 times of the potential impulse drift along the secondary power supply, control and communication circuits when exposed to lightning, short circuits, EMR and switching;

- сокращения количества нормативных проверок сопротивления заземления;- reducing the number of regulatory tests of grounding resistance;

- повышения коррозийной и экологической долговечности;- increase corrosion and environmental durability;

- снижения затрат на ремонт и обслуживание средств.- reduce the cost of repair and maintenance of funds.

Claims (1)

Безопасное устройство молниезащиты, содержащее молниеприемник, соединенный с заземлителем через токоотвод, отличающееся тем, что молниеприемник выполнен в виде оболочки, имеющей форму сферы купола или конуса, увенчанной стержнем, а нижняя часть ее соединена через токоотвод с центральным вертикальным электродом заземлителя, верх которого выполнен в виде купола, а низ погружен в металлические опилки, центральный электрод соединен с другими вертикальными и горизонтальными электродами, имеющими V-образные острия, внешние вертикальные электроды соединены с шинами, образующими контур защищаемой площади, вне которого расположены молниеотводы-ловушки.

A safe lightning protection device containing a lightning rod connected to the ground electrode through a down conductor, characterized in that the air terminal is made in the form of a shell having the shape of a sphere of a dome or cone crowned by a rod, and its lower part is connected through a down conductor to the central vertical electrode of the ground electrode, the top of which is made in in the form of a dome, and the bottom is immersed in metal filings, the central electrode is connected to other vertical and horizontal electrodes having V-shaped tips, external vertical ele The cathodes are connected to the buses forming the contour of the protected area, outside of which are located lightning rods-traps.