НОВЫЕ ПРИНЦИПЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОЛНИЕЗАЩИТЫ В СИСТЕМЕ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ УДАРОВ МОЛНИЙ DAS®

В статье рассматривается принцип работы, преимущества и опыт применения системы молниезащиты Dissipation Array System® (DAS®) от компании Lightning Eliminators & Consultants, Inc (LEС, США).

Введение
Несмотря на наличие систем молниезащиты (МЗ), аварии, вызванные молниевыми разрядами (МР) в нефтяной отрасли, поражают ежегодно до 8% объектов и их коммуникаций. По данным МЧС России, только затраты на ликвидацию последствий аварий на нефтяных объектах составляют от 1,5 до 10 млн. долларов США. Имеется много фактов, когда после первого удара молнии, молниеприёмное устройство не воспринимает последующие разряды.
В качестве примера можно привести анализ причин аварии на резервуаре РВС 20000 №22 Александровской нефтеперекачивающей станции. По показаниям очевидцев, у резервуара РВС 20000 №22 возникли подряд два разряда молнии: первый был принят отдельно стоящим в 5м от резервуара молниеприёмником, а второй пришёлся непосредственно в кровлю резервуара. После попадания МР в кровлю воспламенились пары нефти в свободном пространстве резервуара.

Расследованием причин аварии установлено, что МЗ была выполнена в полном соответствии с требованиями действующей нормативной документацией (НД) при помощи отдельно стоящих молниеотводов на расстоянии 5м и высотой 45 м. Резервуар, его система молниезащиты, заземление эксплуатировались также в соответствии с НД. Причиной удара второго разряда молнии не в молниеприёмник, а в кровлю резервуара, комиссия управления Западно-Сибирского округа Госгортехнадзора России назвала «снос ветром ионизированного канала воздуха».

Это говорит о том, что существующие системы МЗ не обеспечивают на практике достаточный уровень защиты от прямых МР. Таким образом, возникает реальная неизбежность поражения защищаемых объектов и персонала.

Предотвращение прямых ударов молний

Как видно из приведённого выше примера, прямые удары молнии происходят даже в защищённые объекты, а их последствия трудно переоценить. Помимо прямых ударов молний возможны удары в близлежащие заземлённые конструкции и объекты. Такие явления вызывают так называемые «вторичные воздействия» молний на объекты инфраструктуры нефтегазовых предприятий. Можно выделить четыре основных:

1. блуждающие токи;
2. электромагнитные импульсы;
3. электростатические импульсы;
4. связанный заряд.

Все они могут приводить к возгораниям и взрывам либо к выходу из строя контрольно-измерительной аппаратуры и автоматики. Как следствие, можно сделать вывод, что, предотвращая прямые удары в критически важные объекты и их окружение, можно снизить необходимость защиты каждой точки, потенциально подверженной индуцированным токам, и минимизировать прочие требования к защите от перенапряжений.

В 1971 году компания Lightning Eliminators & Consultants, Inc. (США) разработала систему Dissipation Array ® System (DAS®), позволяющую полностью исключить попадание молнии в защищаемую область.

Работа системы основана на принципе точечной разрядки, заключающейся в стекании заряда с острия многочисленных иголок в окружающую атмосферу и создании тем самым объёмного заряда, препятствующего развитию восходящих лидеров и задерживающих движение нисходящих лидеров молнии (Рис. 1). В результате молниевый разряд не попадает в защищаемый объект, а разряжается в незащищённой области.

Рис. 1. Предотвращение попадания молнии с помощью Dissipation Array ® System компании LEC.

DAS® состоит из трёх основных элементов:

1. Ионизатор. Это основной элемент системы молниезащиты, содержащий тысячи иголок, переносящих заряд, собранный системой заземления в окружающую атмосферу, создавая тем самым облако объёмного заряда.
При увеличении электромагнитного поля, вызванного надвигающимся грозовым фронтом, традиционные стержневые молниеприёмники формируют восходящие стримеры, которые провоцируют удар молнии. Многоточечный ионизатор, напротив, запускает процесс ионизации при несколько большей напряжённости поля, но при его увеличении ионизационные токи экспоненциально возрастают. Поскольку ионы распределяются по большой площади, никаких стримеров не возникает.
2. Система заземления. Для работы системы необходимо качественное заземление. Система сбора зарядов является источником заряда, переносимого ионизатором в атмосферу. Как только образуется положительный заряд, наведённый грозовым фронтом на поверхность земли, его часть собирается системой сбора зарядов.
Система сбора зарядов подобна обычной системе заземления, но она является приёмником, а не системой заземления для растекания токов молний. По сути, их назначения абсолютно противоположны.
3. Система переноса заряда. Система сбора зарядов соединена с ионизатором с помощью низкоомного проводника, который обеспечивает прямой перенос заряда к ионизатору. По сравнению с традиционными молниеприёмниками этот проводник несёт существенно меньший ток и предназначен не для переноса огромных токов молнии, а для соединения частей системы в единое целое. Максимальный ток не превышает нескольких миллиампер и не вызывает никаких вторичных воздействий, имеющих место при работе традиционных систем молниезащиты.

Предупреждение
формирования восходящего лидера от любого
защищаемого объекта

Предупреждение формирования восходящих лидеров от любого защищаемого объекта, способных создать проводящий канал и инициировать удар молнии в объект является важным компонентом системы. Такие лидеры обычно инициируются объектами, высота которых более 200м, или объектами в горной местности на такой высоте, где суммарный подъём допускает напряжение на наивысшей точке в пределах 106В во время процесса разряда.
Исследования, проведённые российскими учёными Э.М. Базеляном и его коллегами, сформулировали условия для уменьшения риска поражения объекта молнией. Доказано, что использование оптимизированного ионизатора способно создать и поддерживать объёмный заряд в зоне потенциального риска удара молнии. Также обнаружено, что объёмный заряд способен предотвращать зарождение групповых лидеров.

Редкие прорывы были замечены в областях, где разряды часты и преобладают именно восходящие молнии. В этих случаях плотность объёмного заряда должна быть существенно выше, чем нисходящий отрицательный разряд. Пиковые молниевые токи и сопровождающие их заряды для положительных разрядов начинаются от земли и достигают пиковых значений тока в 200 000 А. Отрицательные разряды, нисходящие от грозовой зоны, достигают пиковых значений около 80 000 А. Поэтому в областях, где преобладают позитивные разряды, объёмный заряд должен быть увеличен примерно в два раза. Электростатические поля в этих случаях значительно выше, что позволяет увеличить ионизацию.

Предупреждение касания объекта нисходящими
лидерами

Предупреждение касания объекта нисходящими лидерами – значительно более сложная задача. Последние 100 м до объекта молниевый лидер движется со скоростью около 400 м/сек. При таких скоростях необходимое количество объёмного заряда должно быть готово прежде, чем будет сформирован встречный лидер, за 50-100 миллисекунд до прибытия нисходящего лидера.

Исследования компании LEC и полевые испытания доказали, что корректно спроектированный ионизатор DAS способен реагировать и предупреждать касание молнии, генерируя комбинацию предразрядного объёмного заряда и реактивного объёмного заряда высокой плотности при приближении молниевого лидера.

Предразрядный объёмный заряд определяется размером ионизатора, электростатическим полем, временем между разрядами и скоростью перемещения объёмного заряда. Комбинация электростатического поля восходящих потоков, создаваемых грозой и силами согласно закону Кулона, вызывают непрерывный поток ионов и постоянное перемещение заряда между ионизатором и грозовой областью, как описывал физик атмосферы д-р Альтон Чалмерс. Объёмный заряд препятствует образованию групповых лидеров при высокой плотности заряда.

Чтобы понять сущность процесса фазы прерывания молниевого лидера, приближающегося к DAS, необходимо понять состояние лидера перед касанием объекта. Это продемонстрировано на рис. 1 – схема, которая поможет понять работу DAS. Она иллюстрирует процесс за миллисекунды до прерывания. Обратите внимание, что молния имеет несколько ответвлений. Все примерно на одном расстоянии от земли, одна должна коснуться поверхности. Целью является не дать ей коснуться DAS или объекта в защищённой области. Рис. 1 иллюстрирует эту ситуацию на примере мачты, защищённой DAS. DAS реагирует на приближение лидера увеличением плотности объёмного заряда.

Рис. 2. Ветвь молнии приближается к DAS.

Рис. 2 показывает реактивный пространственный заряд, созданный приближающейся ветвью молниевого лидера. Результирующий плотный объёмный заряд подавляет формирование встречного лидера, и ситуация развивается, как показано на Рис. 4, а затем – на Рис. 5. На Рис. 4 одна ветвь теперь касается дерева, все остальные стримеры замкнуты. И, наконец, объёмный заряд, сформированный DAS, также замыкается через ионизатор, создавая обратный разрядный ток, продолжающийся только несколько миллисекунд. Все заряды, содержащиеся в ветвях и вокруг ионизатора, принимают участие в процедуре нейтрализации, как показано на Рис.5. Земля возвращается к нормальному отрицательному состоянию, когда грозовые области разряжаются или уходят.

Рис. 3. Реактивный объёмный заряд, созданный приближающимся лидером.

Рис. 4. Молниевая ветвь касается дерева. Остальные ветви уходят.

Рис. 5. Заряд уходит в молниевый канал. Установка возвращается в нейтральное
состояние.

Рис. 6. Молниевая активность в радиусе 500 м от трубы в течение 3-х лет
до (а) и 3-х лет после (б) установки DAS.

Рис. 7. Молниевая активность в радиусе 5 км от трубы в течение 3-х лет
до (а) и 3-х лет после (б) установки DAS.

Процесс втягивания занимает от одной до трёх миллисекунд. Это соответствует примерно 100 мКл (0,1 А с). Тем не менее результирующая скорость может достигать от 30 до 100 кА/мс. В то же время этот обратный ток не несёт никакой разрушительной энергии, т.к. передаётся очень маленький заряд за очень короткий промежуток времени.

Защищённая область

Из принципов работы DAS вытекают три фактора, влияющие на размер и форму защищённой области:
1. количество ветвей молниевого разряда;
2. расстояние между ветвями;
3. удалённость DAS от нисходящего лидера.

Количество ветвей лидера определяет вероятность того, что одна из них приблизится к установке DAS. Обычный лидер стартует и производит несколько ветвей; тем не менее к моменту, когда он достигнет расстояния нескольких сот метров от земли, количество ветвей многократно увеличивается, как показано на Рис. 2. Поэтому вероятность удара молнии в одну из незащищённых DAS точек равна один к количеству ветвей молнии.

Таким образом, DAS задерживает развитие приближающегося лидера-ветви с целью переноса удара в другое место.

Таблица. Количество ударов молний в течение 3-х лет до и 3-х лет после установки DAS

Заключение
О состоятельности тех или иных научных утверждений можно судить на основании опыта их применения. Статистика работы DAS формировалась на протяжении 34 лет на более чем 2400 объектах, и её наработка составляет более
30 000 системных лет работы. Репрезентативность этой выборки не может вызывать сомнений.

Одним из подтверждений могут служить результаты шестилетних наблюдений с мая 1995 по май 2001, производимых на атомной электростанции Browns Ferry Nuclear Plant (Алабама, США). Ионизатор был установлен на трубу станции высотой более 180м. На рис. 6 и 7 показаны результаты наблюдений ударов молний в радиусе 500м и 5км за три года до установки ионизатора и три года спустя. Числовые значения показаны в таблице. Как видно из таблицы, наблюдается снижение количества ударов молний на 80% в радиусе 500м от места установки ионизатора на фоне общего увеличения молниевой активности в радиусе от 5 до 16км в среднем на 65%.

С.Н. Тюренков,
генеральный директор.
Статья написана по материалам статьи «Preventing direct strikes» Roy B. Carpenter, Jr. Lightning Eliminators & Consultants, Inc. August 2005.

ООО «АСК Контур»
тел.: +7 (495) 978 2157, 362 4592
www.askkontur.ru
ООО «АСК Контур»
официальный представитель LEC в России и СНГ.