Защо са необходими надолу проводници?

Мълниеотвод е просто устройство. Състои се от гръмоотвод, който се удря от мълния, и заземяващо устройство, чрез което токът на мълнията навлиза в земята и се разпространява там. Гръмоотводът трябва да бъде свързан с метал към земния електрод. Тази връзка се осъществява надолу проводник. Функцията му често се изпълнява от металните конструкции на опората, върху която е монтиран гръмоотводът. На тази снимка със стоманобетонна опора не се вижда специален проводник надолу. Токът на мълнията ще потече към земята тук през армиращи пръти, скрити в бетона. Изглежда, че всичко е ясно и не се нуждае от обяснение. Независимо от това, специалистите продължават да гледат отблизо надолу проводниците и всяка година той се приближава все повече и повече. Такъв повишен интерес към пасивно поведението желязо заслужава внимание.

Гръмоотводът засече канала на мълнията и по този начин защити обекта от директен удар. Но мълниеносният IM не е отишъл никъде. Той тече през долния проводник, създавайки магнитно поле. На практика е същото като в близост до канала на мълнията, тъй като токът на мълнията не променя тока на мълнията. Силата на магнитното поле намалява обратно пропорционално на разстоянието r от точката на наблюдение до долния проводник

За специалист по мълниезащита е важно колко бързо се променя с течение на времето. Това означава, че изследователите на мълниите трябва да предоставят на инженерите друг важен параметър - скоростта на нарастване на тока, когато мълния удари гръмоотвод. Регистрирането му не е най-лесното нещо. Сензорът трябва да може да реагира на най-краткосрочните скокове на ток. Дори са измислени специални характеристики на сензора. Тя се нарича време за реакция. За да се измери времето за реакция, трябва да се приложи правоъгълен сигнал към входа на сензора и да се види какво се случва на изхода. Не може да има моментална реакция. Следователно, предната част на изходния сигнал ще бъде изгладена приблизително, както е показано на фиг. 2.

Продължителността на нарастването на изходния сигнал до максималната стойност определя времето за реакция. Тъй като сензорите се подобряват, той намалява много забележимо. В началото на XX век е около 10 μs, днес е поне 1000 пъти по-малко. И така, тъй като сензорите се подобриха, мълния беше регистрирана с нарастващ темп на текущ растеж AI. Фантастична стойност AI = 210 11 A/s е записана в съвременните нормативни документи за мълниезащита! Значението му може да се усети, като се разчита на закона за електромагнитната индукция: ток, който се променя със скоростта АI, възбужда ЕМП във верига с площ S

ако веригата е отстранена от проводника с ток на средното разстояние rav. В тази формула μ0 = 4π10 -7 H/m е универсална константа, наречена магнитна пропускливост на вакуума.

Струва си да се заменят специфични стойности във формулата, за да се оцени какви нива на индуцирано напрежение могат да бъдат обсъдени. И така, AI = 210 11 A/s, площта на веригата е S = 1 m, а средното разстояние до нея е 10 m. В резултат индуцираното напрежение е 4000 V. Остава да се сравнят тази стойност с работното напрежение на вашите домакински електрически уреди, за да представлява последствията дистанционно ефекти на мълния. За да не разстроя читателя, не искам да мисля за микропроцесорна технология с работно напрежение около 5 V. Днес офис сгради, промишлени предприятия и дори жилищни сгради са пълни с нея. Такова оборудване не е евтино и последиците от повредата му могат да бъдат изключително сериозни. Единственото заключение е, че магнитното поле на мълнията трябва да бъде ограничено. Това може да се постигне чрез отстраняване на гръмоотвода от защитената сграда. Решението е по-очевидно, но скъпо, тъй като отдалеченият гръмоотвод трябва да има по-голяма височина. В противен случай сградата няма да попадне в защитната зона. Ето защо подобно решение рядко се използва на практика. Най-често гръмоотвод (или гръмоотводи) са инсталирани директно на покрива на сграда. Няма къде да ги премести. В ръцете на инженера остават само надолу проводници.

Токът на мълнията може да бъде насочен към земята по един път или може да бъде разрушен чрез зареждане на няколко надолу проводника наведнъж. Последиците от тази фрагментация заслужават внимание.

Формулата за силата на магнитното поле, написана по-горе, е валидна само за дълъг тънък проводник с ток I, който е единичен надолу проводник. Той ще бъде принуден да транспортира целия ток на мълнията към земята. На фиг. 3 (горна крива), графиката на силата на магнитното поле се изгражда съгласно тази формула на логаритмична скала за единица ток (стойността на H/I се нанася по ординатата). Магнитното поле от единичен низходящ проводник е най-силно. Следващата крива на графиката показва как се променя магнитното поле по диагонала на висока сграда с квадратна основа 50x50 m, когато в ъглите й са поставени 4 надолу проводника. За удобство оста на абсцисата показва разстоянието от ъгъла на сградата, измерено по дължината на нейната фасада. При изчислението токът се разпределя равномерно между надолу проводниците (поради пълна симетрия), а стойността на интензитета във всяка точка се получава чрез векторното сумиране на компонентите от тока във всеки от надолу проводниците.

Както можете да видите, ефектът е впечатляващ. И така, на разстояние повече от 5 м от надолу проводника, магнитното поле е отслабнало с почти порядък в сравнение с единичен низходящ проводник. По-близо до центъра на сградата последиците са още по-забележими. Това означава, че има пряк смисъл от увеличаване на броя на надолу проводниците. Това се демонстрира от долната конструктивна крива, при чиято конструкция се приемаше, че надолу проводниците са поставени със стъпка от 2 м по външния периметър на сградата и броят им е 100.

Читателят има право да ме обвини в разточителство, след като е забелязал, че много допълнителни метали ще отидат във висока сграда с този вид мълниезащита. Не ви съветвам да бързате с обвинения. В съвременната сграда ролята на надолу проводници могат да играят много строителни конструкции, например метална армировка на колони. Укрепването на прозорците с двоен стъклопакет също е много подходящо за тази цел, ако между тях се осигури добър контакт по цялата височина на сградата. Стъпка от 2 m в последната графика на фиг. 3 е избран само за прозорци с двоен стъклопакет. Сега остава да добавим, че отслабването на силата на магнитното поле ще доведе до абсолютно същото отслабване на ЕМП на магнитната индукция във вътрешните електрически вериги на сградата и всичко това с много ниски допълнителни разходи.

Нека се обърнем към индивидуална сграда. Като правило в него няма метални или стоманобетонни колони, а прозорците с двоен стъклопакет не покриват почти напълно повърхността на стените, както в съвременните високи сгради. Гръмоотводите на покрива на сградата, а дори и на покрива й, трябва да бъдат свързани към заземяване, в най-добрия случай, чрез два надолу проводника. Когато удари мълния, през всеки ще изтече много приличен ток. Разбира се, броят на проводниците надолу може да се увеличи, но тук не е лесно да се постигне голям ефект - размерите не са еднакви. Вътрешното електрическо оборудване на вилата ще трябва да бъде защитено по различен начин. С помощта на специални устройства, които ограничават електромагнитните смущения. Сега ще говорим за самите надолу проводници. Те представляват съвсем реална опасност.

Токът в долния проводник създава спад на напрежението върху него, но не поради съпротивление (за дебел метален проводник е твърде малък), а в резултат на същата електромагнитна индукция. Всеки проводник има индуктивност, която се измерва в henry. Индуктивността на тънкия проводник не е много висока, около 10 -6 H на 1 m дължина. Но не бива да се забравя и за изключително високата скорост на растеж на мълниеносния ИИ. Благодарение на него върху индуктивността L се появява компонент на индуктивно напрежение.

Оценката при AI = 10 11 A/s ви позволява да усетите реда на величината на напрежението на 1 m от надолу проводника UL≈10 -6 × 10 11 = 10 5 V. Не трябва да се пренебрегва напрежението от 100 kV. Ето защо стандартите за мълниезащита препоръчват да бъдат разположени на труднодостъпни места, където хората не могат да ги докоснат.

Е. М. Базелян, Доктор на техническите науки, професор
Енергиен институт на името на Г.М. Кржижановски, Москва

Надяваме се, че в бъдеще този сайт ще играе ролята на елементарен учебник по самозащита срещу мълния. Планираме постоянно да публикуваме тук статии за реалните опасности от мълниеносното електричество и съвременните средства за мълниезащита. Те са предназначени да ви помогнат да разберете същността на проблема и да оцените начините за решаването му, които са на ваше разположение.