Влияние параметров коронного разряда на эффективность элементов систем молниезащиты

Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов формирования объемного заряда в области вершины стержневого молниеприемника. Рассмотрены особенности формирования стримерной короны на стержневых молниеприемниках с различными конфигурациями вершины в электрическом поле г...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
1. Verfasser:	Чернухин, А.Ю.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2017
Schriftenreihe:	Електротехніка і електромеханіка
Schlagworte:	Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147571
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Влияние параметров коронного разряда на эффективность элементов систем молниезащиты / А.Ю. Чернухин // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 3. — С. 47-56. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-147571
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1475712019-02-16T01:23:55Z Влияние параметров коронного разряда на эффективность элементов систем молниезащиты Чернухин, А.Ю. Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов формирования объемного заряда в области вершины стержневого молниеприемника. Рассмотрены особенности формирования стримерной короны на стержневых молниеприемниках с различными конфигурациями вершины в электрическом поле грозового облака. Установлены зависимости силы тока короны от напряженности электрического поля и высоты для каждого варианта стержня. Показано, что при этом временные параметры импульсов тока стримера меняются не более чем на 30%, а заряд стримера, и как следствие, сила тока короны увеличиваются по мере роста напряженности электрического поля. Предложено метод измерения скорости продвижения стримера. Метод основан на одновременном измерении напряжения и тока на разрядном промежутке. Результаты предлагается учесть при сертификации молниеприемников Наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень процесів формування об’ємного заряду в області вершини стрижньового блискавкоприймача. Розглянуто особливості формування стримерної корони на стрижньових блискавкоприймачах з різними конфігураціями вершини в електричному полі грозової хмари. Встановлено залежності сили струму корони від напруженості електричного поля та висоти для кожного варіанта стрижня. Показано, що при цьому часові параметри імпульсів струму стримеру змінюються не більше ніж на 30%, а заряд стримеру і, як наслідок, сила струму корони, збільшуються з ростом напруженості електричного поля. Запропоновано метод вимірювання швидкості просування стримеру. Метод базується на одночасному вимірюванні напруги та струму у розрядному проміжку. Результати пропонується врахувати при сертифікації блискавкоприймачів Purpose. Investigation of the formation of space charge in the region of the apex of lighting rod, under the action of the electric field of a thunderstorm cloud, to evaluate the efficiency of elements of lighting protection systems. Methodology. We have applied the mathematical simulation of electromagnetic field distribution on the top of metal rod by different forms. As a mathematical apparatus, we use the finite element method. We considered two forms of the rod section: round and square. The round (cylindrical) rod has a sharp apex. The square rod has a flat top. The experimental study investigates the features of corona discharge formation. A high-voltage test equipment is created an electric field. Experiments carried out using a configuration consisting a potential plate and vertical rod electrode on grounded plate. The electric field strength varied from 1 kVm-1 to 100 kVm-1. This range corresponds to the thunderstorm condition. Results. We have obtained a correlation between the corona current and the strength of the electric field for various shapes of the rod top. The results of experimental studies confirmed the correctness of the conclusions of theoretical estimates. We show that the time parameters of streamer current pulses vary by no more than 30%, but a streamer charge increase to three time with increasing electric field strength. We proposed and applied a method for measuring the velocity of motion of a streamer in the discharge gap. As a result, it is established that the streamer speed is nonlinear in time. For a discharge gap of 1.2 m, the speed varies from 1.8·104 m/s to 1.1·106 m/s. Originality. For the first time, we have carried out a complex of studies of corona discharge parameters from lightning protector rod to apply for the certification procedure of ESE terminals. Practical value. Based on the set of obtained results, it is obviously that the standard NF C 17-102:2011 will not be introduced as a national standard of Ukraine before full introduction of scientifically justified data will be include into the requirements of the standard. 2017 Article Влияние параметров коронного разряда на эффективность элементов систем молниезащиты / А.Ю. Чернухин // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 3. — С. 47-56. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2017.3.07 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147571 621.31.048.015 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка
spellingShingle	Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка Чернухин, А.Ю. Влияние параметров коронного разряда на эффективность элементов систем молниезащиты Електротехніка і електромеханіка
description	Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов формирования объемного заряда в области вершины стержневого молниеприемника. Рассмотрены особенности формирования стримерной короны на стержневых молниеприемниках с различными конфигурациями вершины в электрическом поле грозового облака. Установлены зависимости силы тока короны от напряженности электрического поля и высоты для каждого варианта стержня. Показано, что при этом временные параметры импульсов тока стримера меняются не более чем на 30%, а заряд стримера, и как следствие, сила тока короны увеличиваются по мере роста напряженности электрического поля. Предложено метод измерения скорости продвижения стримера. Метод основан на одновременном измерении напряжения и тока на разрядном промежутке. Результаты предлагается учесть при сертификации молниеприемников
format	Article
author	Чернухин, А.Ю.
author_facet	Чернухин, А.Ю.
author_sort	Чернухин, А.Ю.
title	Влияние параметров коронного разряда на эффективность элементов систем молниезащиты
title_short	Влияние параметров коронного разряда на эффективность элементов систем молниезащиты
title_full	Влияние параметров коронного разряда на эффективность элементов систем молниезащиты
title_fullStr	Влияние параметров коронного разряда на эффективность элементов систем молниезащиты
title_full_unstemmed	Влияние параметров коронного разряда на эффективность элементов систем молниезащиты
title_sort	влияние параметров коронного разряда на эффективность элементов систем молниезащиты
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Техніка сильних електричних та магнітних полів. Кабельна техніка
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147571
citation_txt	Влияние параметров коронного разряда на эффективность элементов систем молниезащиты / А.Ю. Чернухин // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 3. — С. 47-56. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT černuhinaû vliânieparametrovkoronnogorazrâdanaéffektivnostʹélementovsistemmolniezaŝity
first_indexed	2025-07-11T02:14:00Z
last_indexed	2025-07-11T02:14:00Z
_version_	1837314926838808576
fulltext	ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 47 © А.Ю. Чернухин УДК 621.31.048.015 doi: 10.20998/2074-272X.2017.3.07 А.Ю. Чернухин ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОРОННОГО РАЗРЯДА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ МОЛНИЕЗАЩИТЫ Наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень процесів формування об’ємного заряду в області вершини стрижньового блискавкоприймача. Розглянуто особливості формування стримерної корони на стрижньових блискавкоприймачах з різними конфігураціями вершини в електричному полі грозової хмари. Встановлено залежності сили струму корони від напруженості електричного поля та висоти для кожного варіанта стрижня. Показано, що при цьому часові параметри імпульсів струму стримеру змінюються не більше ніж на 30%, а заряд стримеру і, як наслідок, сила струму корони, збільшуються з ростом напруженості електричного поля. Запропоновано метод вимірювання швидкості просування стримеру. Метод базується на одночасному вимірюванні напруги та струму у розрядному промі- жку. Результати пропонується врахувати при сертифікації блискавкоприймачів. Бібл. 10, табл. 4, рис. 9. Ключові слова: стрижньовій блискавкоприймач, імпульсна корона, напруженість електричного поля грозової хмари, струм корони, швидкість стримеру. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов формирования объемного заря- да в области вершины стержневого молниеприемника. Рассмотрены особенности формирования стримерной короны на стержневых молниеприемниках с различными конфигурациями вершины в электрическом поле грозового облака. Установлены зависимости силы тока короны от напряженности электрического поля и высоты для каждого вари- анта стержня. Показано, что при этом временные параметры импульсов тока стримера меняются не более чем на 30%, а заряд стримера, и как следствие, сила тока короны увеличиваются по мере роста напряженности электриче- ского поля. Предложено метод измерения скорости продвижения стримера. Метод основан на одновременном изме- рении напряжения и тока на разрядном промежутке. Результаты предлагается учесть при сертификации молние- приемников. Библ. 10, табл. 4, рис. 9. Ключевые слова: стержневой молниеприемник, импульсная корона, напряженность электрического поля грозового облака, ток короны, скорость стримера. Введение. Основой систем молниезащиты зда- ний и сооружений от прямых ударов молнии являют- ся металлические конструкции в виде стержневых, тросовых и сеточных молниеприемников. Требования к устройству таких систем регламентируются стан- дартами IEC 62305-1:2010 и IEC 62305-3:2010. В от- личие от упомянутых выше систем, которые условно можно назвать «пассивными», в мире на протяжении последнего десятилетия предпринимаются попытки создания активных устройств, обеспечивающих су- щественное увеличение размеров зоны защиты, по сравнению с зоной защиты классического молниепри- емника Франклина (далее ПСМ – пассивный стержне- вой молниеприемник). К числу таких устройств отно- сятся, так называемые «Early streamer emission air terminals» (ESE), которые, по утверждению разработ- чиков, обеспечивают более быстрое по сравнению с ПСМ создание встречного стримера, способствующе- го перехвату молнии. Декларируемый радиус защиты ESE молниеприемников прямо пропорционален вре- мени опережения [1]. Основой такого подхода являет- ся многократно подтвержденный экспериментально факт формирования встречных лидеров с металличе- ских объектов как заземленных так и не имеющих контакта с землей. Однако не все особенности и усло- вия образования встречного лидера достаточно изу- чены. В частности, вероятность встреч канала нисхо- дящей молнии с восходящими лидерами носит веро- ятностный характер. Кроме того, скорость продвиже- ния встречного восходящего лидера зависит от по- тенциала головки канала молнии, который также име- ет случайное значение. На рынке также предлагаются различные вари- анты устройств, названных рассеивателями (Dissipater), обеспечивающих снижение вероятности удара молнии в объект за счет создания вокруг вер- шины объекта объема воздуха, насыщенного заря- женными частицами. Этот эффект обеспечивает сни- жение напряженности электрического поля над вер- шиной объекта, в результате чего встречный лидер возникает при больших значениях напряженности электрического поля, формируемого каналом молнии, что приводит к снижению вероятности поражения объекта молнией. В Научно-исследовательском и проектно- конструкторском институте «Молния» Национально- го технического университета «Харьковский поли- технический институт» (НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ») за последние 10 лет проведены исследования более 20 типов различных образцов ESE молниепри- емников и рассеивателей практически всех компаний, представленных на мировом рынке. В 2007 году были проведены сравнительные испытаний ESE терминала компании ERICO (США) в лабораториях Техническо- го университета Валенсии (Испания) и НТУ «ХПИ» (Украина). Результаты испытаний показали, что по- ложения первой редакции (1995 года) стандарта Франции [1] не достаточные для достоверной оценки размеров защитной зоны ESE молниеприемников. В ходе обсуждения результатов было доказано [2], что необходимо внести дополнительные требования на величину дисперсии времени опережения и устано- вить параметры эталонного ПСМ. В новой редакции (2011 г.) стандарта [1] эти рекомендации учтены. Значительная часть научного сообщества, объе- диненного в рамках международной конференции ICLP (International Conference Lightning Protection) 48 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 категорически отрицает научную обоснованность по- ложений стандарта [1]. Основными аспектами, не имеющими должного экспериментального подтвер- ждения, являются такие:  оценка радиуса зоны защиты ESE молниеприем- ника осуществляется путем умножения времени опе- режения (определяемого как среднеарифметическое значение по 100 разрядам) на скорость продвижения встречного лидера с молниеприемника, которая уста- новлена равной 106 м·с-1. Экспериментальные значе- ния скорости, полученные с помощью скоростных видеокамер, лежат в диапазоне (104 – 106) м·с-1;  отсутствие документально подтвержденного экспериментами большего радиуса защиты по срав- нению с ПСМ. Неоднократные совместные испытания на моделирующих установках не подтверждали этого факта. Другая часть сообщества, в которую входят в ос- новном производители и дистрибьюторы рассматри- ваемых устройств, объединена в рамках Междуна- родной ассоциации молниезащиты ILPA (International Lightning Protection Association), которая проводит собственные научные симпозиумы. Возникшее противоречие имеет не только науч- ный аспект, но обуславливает важные проблемы практического применения новых устройств. Оши- бочное определение размеров зоны защиты обуслав- ливает снижение вероятности перехвата молнии сис- темой молниезащиты, что может иметь негативные последствия. Тем не менее, на сегодняшний день, стандарт [1] введен в действие в ряде стран, в том числе Франции, Испании, Казахстане, Латвии, кото- рые фактически легализовали использование ESE молниеприемников с учетом расчетной зоны защиты. Настойчивые попытки предпринимаются внедрить стандарт [3] в Украине. Сложившиеся обстоятельства побудили НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ» и функ- ционирующий на его базе Технический комитет Ук- раины по стандартизации в сфере электромагнитной совместимости (ТК 22) инициировать исследования с целью разобраться в физике сопутствующих явлений. Основой принципа действия обоих типов новых устройств являются процессы коронного разряда с металлических стержней и игл. Поэтому, научное обоснование реальных защитных свойств таких уст- ройств требует детального исследования физики ко- ронного разряда в условиях нахождения изделий в электрическом поле грозового облака. Анализ последних исследований и публика- ций. Исследования процессов коронного разряда про- водятся на протяжении многих десятилетий. Однако, они не прекращаются и по сей день. Причина заклю- чается в том, что процессы имеют вероятностный ха- рактер, а полнота и достоверность результатов иссле- дований в значительной мере зависит от используе- мых средств измерения электрофизических величин и скорости видео регистрации. Естественно, что ин- формация, полученная в последние годы, точнее за счет качественно нового уровня упомянутой выше техники. Принцип действия ESE терминала основан на предположении, что возникновение стримера, пере- ходящего во встречный к каналу нисходящей молнии лидер, с такого терминала происходит ранее, чем с обычного стержневого молниеприемника [1]. Следо- вательно, величина времени опережения является ос- новной технической характеристикой ESE терминала. При этом, восходящий стример возникает на фоне коронного разряда, являющегося неотъемлемой ча- стью процесса. Поэтому, решение рассматриваемой проблемы в нашем институте начато с исследования закономерностей развития стримерной короны и пе- рехода ее во встречный лидер [2]. В определенной степени появление короны нега- тивно влияет на защитные свойства молниеприемни- ка, т.к. ее наличие препятствует развитию встречного лидера. Вопросам изучения процесса коронного раз- ряда посвящено большое число работ, в том числе [3-6]. Для зажигания короны величина напряженности электрического поля на вершине коронирующего электрода должна превышать определенное критиче- ское значение (Ес). Впервые это значение было полу- чено эмпирическим путем Пиком для электрода ци- линдрической формы:            2/1 3.0 18,29 R Ec   , (1) где: Ес – значение критической напряженности, кВ/см; δ = N/N0; N, N0 – плотность газа при существующих и нормальных условиях соответственно, R – радиус электрода, см. В работе [5] представлена формула (2) для элек- трода сферической геометрии радиусом R            2/1 54.0 18,27 R Ec . (2) Сравнение результатов оценки по этим форму- лам для электродов радиусом R≤1 см, для которых формулы справедливы, представлено в табл. 1. Таблица 1 Значения критической напряженности электрического поля, вычисленные по формуле Пика и Базеляна [5] R, см 0,1 0,5 1,0 Ес, кВ/см 58,5 42,6 39,0 Ес [5], кВ/см 75,1 48,9 42,8 Очевидно, что расхождение между значениями критической напряженности возрастает по мере уменьшения радиуса электрода. В промежутках с большой степенью неоднород- ности электрического поля плазменная область, воз- никающая вследствие коронного разряда, может про- никнуть в зону с низкой напряженностью только в виде тонкого канала – стримера. Когда стример попа- дает в область слабого поля, его скорость замедляет- ся, он может остановиться. Такой незавершенный процесс называется импульсной или стримерной ко- роной. Распространение продолжается до тех пор, пока напряженность электрического поля больше ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 49 минимально допустимой. Среднее значение напря- женности электрического поля Es вдоль стримерного канала при положительной полярности находится в диапазоне 450 кВ·м–1 – 500 кВ·м–1 [3]. В работах Уотерса (Waters, 1987) и Галлимберти (Gallimberti, 1979) показано, что увеличение длины стимера L прямо пропорционально росту напряжения Ui до тех пор, пока L мало по сравнению с длиной разрядного промежутка. Коэффициент пропорциональности равен, соответственно упомянутым авторам: 0,145 cм·кВ−1 и 0,152 cм·кВ−1. По мнению авторов работы [5] тупые молниеот- воды более эффективны при перехвате молний, чем острые. Напротив, в работе [7] утверждается, что, ме- няя радиус молниеотвода в достаточно широких пре- делах (практически значимых), нельзя повлиять на величину и распределение объемного заряда короны в его окрестности. Это противоречие также требует экспериментальной проверки. Граничной скоростью нарастания фронта им- пульса для квазистационарного режима, когда можно пренебречь изменением напряжения за время разви- тия стримеров считается величина 50 кВ·мкс–1. Со- гласно формулы (2) из работы [7], следует, что для линейного роста напряженности электрического поля, ток короны нарастает линейно, а при стабилизации Е0 ток снижается во времени. Данные эксперименталь- ных исследований [6] этот факт не подтверждают. Если крутизна фронта выше граничной, стример про- двигается в течение всего времени роста напряжения на промежутке, при этом скорость его нарастает. Сильная стримерная вспышка инжектирует в промежуток так много заряда, что поле на всем аноде падает гораздо ниже порога ионизации, в результате чего в развитии разряда наступает пауза [7]. Если на- пряжение на промежутке не меняется или меняется медленно, время паузы может быть большим - около времени дрейфа ионов на расстояние, сравнимое с радиусом анода (при ra ~ 10 см и средней напряжен- ности электрического поля 5 кВ·см-1 Δt ~ 10-3 с). Это явление характерно для стержня с острой конической вершиной, потому что элемент, который инжектирует заряд, имеет размер точки. Следовательно, плоская вершина стержня должна иметь преимущества при создании стабильной последовательности стримеров. Цель статьи – исследование процессов форми- рования объемного заряда в области вершины стерж- невого молниеприемника в условиях действия элек- трического поля грозового облака для оценки эффек- тивности элементов систем молниезащиты. Результаты теоретических исследований. Очевидно, что молниеприемник, связанный с грунтом проводником имеет нулевой потенциал. При прибли- жении грозового облака на нем наводится электриче- ский заряд, поверхностная плотность которого обу- словлена напряженностью электрического поля на вершине в области наибольшей неоднородности. При определенных условиях, описанных выше, возникает коронный разряд и стримеры, в последствии перерас- тающие во встречный к молнии лидер. Быстродействие молниеприемника зависит от степени ионизации окружающего воздушного про- странства. Если ионизация активная, образуется об- лако заряженных частиц, осложняющих прорастание встречного лидера. На этом эффекте основаны кон- струкции рассеивателей, представляющие собой комбинации тонких проводников. Если ионизация слабая, отсутствуют заряды, необходимые для фор- мирования лавин. Значит, можно предположить, что существует конструкция вершины молниеприемни- ка, которая обеспечит ток короны оптимальный для минимизации времени формирования встречного лидера. Этот факт важен для выбора эталонного об- разца молниеприемника, необходимость определе- ния которого была инициирована в работе [2] и под- тверждена стандартом [1]. С целью исследования начальной фазы процес- са образования стационарной короны на вершине стержневого молниеприемника, выбрана математи- ческая модель максимально приближенная к реаль- ным условиям при проведении испытаний по стан- дарту [1]. Электростатическое поле образовано дву- мя круглыми дискообразными проводящими пласти- нами, диаметром 10 м каждая. Одной из пластин (верхней) присвоен потенциал 10 кВ, другая – зазем- лена (U = 0). Расстояние между пластинами модели изменяется в диапазоне от 3 м до 10м. Значение по- тенциала выбрано таким из соображений уровня на- пряженности электрического поля Е0 ≥ 1 кВ·м–1, характеризующей предгрозовую обстановку. Высота стержневого молниеприемника принята равной 2 м. Математическая модель задачи такова. В воздушном пространстве электрическое поле является потенци- альным, а потенциал удовлетворяет уравнению Лап- ласа. Граничные условия задачи заданы равенством нулю потенциала на нижней пластине и стержне; положительный потенциал 10 кВ на верхней пласти- не; остальные границы соответствуют условию не- прерывности потенциала. Цель моделирования – определение такого соот- ношения параметров стержневого молниеприемника, при котором достигается оптимальное соотношение максимальной напряженности поля около вершины и объема этой области (напряженного объема), благо- приятное для стримерного процесса. Расчет напряженности электрического поля на поверхности заостренного стержня проведен вдоль образующей конуса его вершины. Степень остроты вершины стержня характеризуется коэффициентом заостренности (k), который равен отношению высоты острия к радиусу стержня. Рассмотрены варианты, когда коэффициент принимает значения 1; 2; 3 и 4 для стержня радиусом 0,05 м. Результаты расчета напря- женности электрического поля на вершине острия заостренного стержня высотой 2 м, находящего в электрическом поле напряженностью 2 кВ·м-1 пред- ставлены в табл. 2. Там же даны расчетные значения коэффициента K усиления напряженности поля в рассматриваемой точке. 50 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 Таблица 2 Напряженность электрического поля на вершине острия заостренного стержня высотой 2 м k 1 2 3 4 E, кВ·м-1 220 600 1020 1250 K 110 300 510 625 Результаты решения задачи для различных вари- антов высоты стержня (в диапазоне от 1 м до 8 м), поперечного сечения (круг, квадрат, многоугольни- ки), его размера (от 10 мм до 30 мм) и формы верши- ны (плоскость, острие) представлены в работе [8]. Результаты моделирования показали, что максималь- ное значение напряженности электрического поля на поверхности стержня увеличивается прямо пропор- ционально высоте стержня. В частности, для стержня квадратного сечения, эта зависимость описывается формулой (3) с погрешностью ≤ 5%. hEhEm  07,26)( , (3) где Em(h) – максимальное значение напряженности Е-поля на ребре вершины квадратного стержня с пло- ской вершиной, В·м-1; E0·– напряженность электриче- ского поля, в котором размещен стержень, В·м-1; h – высота стержня, м. С целью проверки результатов, проведено срав- нение с результатами расчетов, полученных другими исследователям: по формулам, приведенным в работе [4] для заземленной половины сфероида во внешнем электрическом поле и численного метода работы [9]. Рассчитано напряженность Е-поля на вершине стерж- ня радиусом 0,05 м с вершиной в виде полусферы. Входные параметры модели таковы: Н = 5 м, h = 2 м, U = 104 В. По нашим оценкам максимальное значение напряженности электрического поля на вершине стержня равно 7,2·104 В·м-1, то есть в 36 раз больше чем Е0 = 2·103 В·м-1. При использовании графика 10 из работы [4] для сфероида с соотношением высоты к радиусу равным 40, коэффициент усиления определя- ется близко к 30. В результате численного решения в работе [9] результат близок к 35. Учитывая некото- рую разницу между геометрическими фигурами, ис- пользуемыми в расчетах, и не слишком точную шкалу на графике в работе [4], есть основания считать дос- товерными результаты применяемого нами численно- го метода достоверными. Иллюстрация напряженного объема вокруг стержня квадратного сечения пред- ставлена на рис. 1. Рис. 1. Напряженный объем Е-поля вокруг стержня квадратного сечения (модель повернута на 90 влево) С целью обобщения результатов исследования процесса формирования коронного разряда со стерж- невых молниеприемников, проведено компьютерное моделирование на основе многофакторного плана эксперимента. В качестве функции отклика выбрано значение напряженного объема пространства вокруг вершины стержня. Напряженный объем – объем пространства, в котором напряженность внешнего электрического поля превышает 30 кВ·м–1. На основа- нии анализа результатов экспериментальных исследо- ваний отобраны количественные и качественные фак- торы, которые в полной мере определяют значение функции отклика. Эти факторы таковы: напряжен- ность электрического поля, длина стержня, форма поперечного сечения, размеры сечения, форма вер- шины. Априори, предположено, что уровни значимо- сти этих факторов сопоставимы. Из опыта известно, что функция отклика имеет несколько максимумов, зависящих от формы сечения стержня. Поэтому, вы- бор нулевой точки модели связан с формой попереч- ного сечения стержня. Построенные ранее по экспе- риментальным данным функциональные зависимости показывают, что они являются аналитическими и по- зволяют задаться конкретным видом зависимости це- левой функции от каждого их выбранных факторов. Это позволило ограничиться двух уровневым фактор- ным планом типа 2k (k – число факторов). Для обеспе- чения возможности проверки адекватности выбран- ной математической модели и правильности опреде- ления констант, использовался ненасыщенный план (число экспериментов превышает число неизвестных констант в модели). Проведен полный факторный эксперимент, на основании которого построена целе- вая функция отклика. Величина напряженного объема, определяемая по установленной функциональной зависимости, со- поставлена со значением числа импульсов стримеров, полученных экспериментальным путем. Сопоставле- ние позволило определить необходимый минималь- ный напряженный объем, при котором начинается процесс образования коронного разряда. Кроме того, установлено значение длины начальных стимеров, в зависимости от значений факторов эксперимента. Основные результаты теоретических исследова- ний таковы:  поскольку зона повышенной напряженности ло- кализована около ребер стержня, «напряженный объ- ем» увеличивается с ростом периметра стержня;  максимальное значение напряженности электри- ческого поля и величины напряженного объема на поверхности молниеприемника, при прочих равных условиях, достигается при использовании стержня квадратного сечения с плоской вершиной. Такой стержень предлагается в качестве нового эталонного для стандарта [1]. Результаты экспериментальных исследова- ний. При некотором значении напряженности элек- трического поля, в которое помещен молниеприем- ник, на фоне «тихой» короны, ток которой составляет не более сотен микроампер, возникают стримерные вспышки, характеризующиеся током в десятки мил- лиампер. Только стримерная вспышка при опреде- ленных условиях может преобразоваться в лидер. По- этому, определение критического значения напря- женности электрического поля, при котором возни- кают стримерные вспышки, и характер их поведения при изменении уровня напряженности электрического поля является важной задачей. Моделирование ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 51 процессов осуществлено на высоковольтном испыта- тельном стенде ВВС-1.2 НИПКИ «Молния» НТУ «ХПИ». Для оценки быстродействия конкретного молниеприемника предлагается использовать значе- ния параметров стримеров, которые возникают при размещении его в электрическом поле. Чтобы выявить зависимость между параметрами стримеров и защитными свойствами молниеприемни- ка, проведено комплекс исследований, включая опре- деление характеристик стримеров при постоянном и импульсном напряжении. Исследования на постоян- ном напряжении позволяют оценить поведение мол- ниеприемника при приближении грозового облака, другая же часть исследований связана с изучением процесса возникновения стримеров при воздействии импульсного электрического поля, сопровождающего прорастающий канал молнии. Исследования проведены на стержневых молни- еприемниках, размещавшихся между двумя парал- лельными металлическими плоскостями. Размеры плоскостей: нижняя – 46,5 м, верхняя – 3,65,2 м. Схема испытательной установки для исследования характеристик тока короны при постоянном и изме- няющемся напряжении и ее внешний вид приведены на рис. 2 и 3 соответственно. Electronic oscillograph to electronic oscillograph Рис. 2. Схема испытательной установки ВВС-1.2 (С1 = 0,381 мкФ; С2 = 0,385 мкФ; С3 = 0,4 мкФ; R1 = 300 МОм; R2 = 30 кОм; R3 = 60 кОм; R4 = 510 кОм; R5, R6 = 60 кОм; Rsh = 75 Ом; Rc = 75 Ом; Тр – трансформатор ИОМ 100/25) Рис. 3. Внешний вид испытательной установки ВВС-1.2 52 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 В данном варианте нижняя плоскость заземлена. Верхняя плоскость потенциальная – на нее подается высокое напряжение отрицательной полярности. Рас- стояние (S) между вершиной стержня и потенциаль- ным верхним электродом варьировалось в диапазоне от 2,5 м до 0,5 м При этом, начальное значение напряженности электрического поля в промежутке не изменялось. Результаты экспериментальных исследований под- робно представлены в работах [6-8]. Обобщение этих результатов позволяет сделать следующие выводы. Типовая осциллограмма силы тока одиночного стри- мера представлена на рис. 4. Заряд, содержащийся в стримере примерно 5,85·10–9 Кл. Для сравнения, в работе [5] измерение заряда стримера альтернатив- ным методом дало среднее значение 5·10-10 Кл. Учи- тывая различие конфигураций вершин стержней и высот стержней совпадение результатов удовлетвори- тельное. Рис. 4. Осциллограмма единичного стримера со стержня квадратного сечения 1212 мм2 высотой стержня 1,7 м, находящего в электрическом поле напряженностью 30 кВ·м-1 (сигнал снят с резистора номиналом 75 Ом, заряд в импульсе 58,5 10-10 Кл) Зависимости среднего арифметического числа стримерных вспышек от напряженности электриче- ского поля для заостренного и квадратного стержней представлены на рис. 5. Рис. 5. Зависимость частоты следования стримеров с заост- ренного (диаметр 10 мм, коэффициент заостренности k = 3) и квадратного (1212 мм2) стержней от напряженности электрического поля. Длина каждого стержня 3,4 м Результаты статистической обработки экспери- ментальных данных представлены в табл. 3 и 4 для заостренного и квадратного стержней соответственно. Следует отметить, что временные параметры (форма) тока единичного стримера для всех рассмотренных случаев изменяются в пределах ± 30 % от средне арифметических значений. Существенные изменения наблюдаются только для пикового значения импуль- са, следовательно, величины заряда стримера. При каждом напряжении было произведено не менее 50 измерений. Представленные в таблицах значения среднеквадратичного отклонения (СКО), однозначно показывают существенно меньший разброс значений для стержня квадратного сечения по сравнению со стержнем с заостренной вершиной. Это свойство ха- рактерно для стержня любой длины в рассмотренных пределах. Не случайно, стержни квадратного сечения определены в качестве элементов разрядного проме- жутка для эталона величины высокого напряжения (стандарт IEC 60062). Таблица 3 Результаты измерения частоты следования стримеров для заостренного стержня круглого сечения (диаметр 10 мм, коэффициент заостренности k = 3, высота 3,4 м) U0, кВ Е0, кВ·м-1 Число стримеров в секунду, N СКО 14,5 2,9 9,16 1,31 20 4 276 7,02 25 5 636 12,58 30 6 78 15,97 50 10 136,6 59,53 75 15 1460 145,60 100 20 2656 322,20 120 24 3940 523,70 Из представленных результатов видно, что у стержня с заостренной вершиной есть «мертвая» зона (в диапазоне от 6 кВ·м-1 до 10 В·м-1). Эффект обуслав- ливается точечным характером коронирующего эле- мента. Наличие такого эффекта объясняет упомянутое выше мнение авторов работы [5], что тупые молние- отводы более эффективны при перехвате молний, чем острые. Важно отметить, что для стержня квадратного сечения такой эффект не наблюдается. Таблица 4 Результаты измерений частоты следования стримеров для квадратного стержня (1212 мм2, высота 3,4 м) U0, кВ Е0, кВ·м–1 Число стримеров в секунду, N СКО 47 9,4 14,7 1,40 60 12 116 4,81 75 15 258 4,74 100 20 1302 20,54 120 24 1720 23,85 150 30 3064 32,77 180 36 4930 93,15 Зависимость величина силы тока коронного раз- ряда от напряженности электрического поля, для опи- санных выше стержней, представлена рис. 6. Из рис. 6 видно, что при напряженности электрического поля большей 15 кВ·м–1 сила тока с квадратного стержня ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 53 больше, чем с заостренного, не смотря на то, что чис- ло стримеров с заостренного стержня примерно в 2 раза больше (см. рис. 5). Причина такого факта обу- славливается большим зарядом каждого стримера со стержня квадратного сечения. Рис. 6. Зависимость силы тока короны от напряженности электрического поля для заостренного (диаметр 10 мм, коэффициент заостренности k = 3) и квадратного стержней. Длина каждого стержня 3,4 м Из представленных экспериментальных резуль- татов следуют такие выводы:  заостренный стержень (диаметр 10 мм, k = 3, вы- сота 3,4 м) начинает реагировать с напряженности электрического поля 3 кВ·м–1, а стержень квадратного сечения (1212 мм2) той же высоты не ранее чем с 9 кВ·м–1;  коронный разряд с заостренного стержня в диапазоне напряженности Е-поля от 6 кВ·м-1 до 10 кВ·м-1 прекращается, что в полной мере соответст- вует процитированным выше во введении результа- там работы [5];  при напряженности Е-поля, превышающей 10 кВ·м-1 число стримеров с заостренного стержня примерно вдвое больше, чем с квадратного;  среднее пиковое значение силы тока отдельного стримера выше для квадратного стержня, например, при напряженности Е ≈ 10 кВ·м-1это значение состав- ляет 5 мА для заостренного стержня и 60 мА для квадратного стержня;  значение среднеквадратичного отклонения, при прочих одинаковых условиях для случая квад- ратного стержня меньше, чем для случая заострен- ного стержня. Альтернативный метод измерения скорости стримера. Традиционным методом измерения скоро- сти стримеров-лидеров является сверхскоростная ви- деосъемка. Для реализации этого метода требуется наличие сверхскоростной видеокамеры, например, типа FASTCAM SAS (с опцией до 106 кадров в секун- ду) и специального режима освещенности исследуе- мого разрядного промежутка. Ограничением реализа- ции этого метода является не только высокая стои- мость камеры, но и фиксированный сектор обзора, что затрудняет эффективное использование метода при исследовании длинных (более 3 м) разрядных промежутков. Важным параметром предразрядных процессов есть скорость встречного стримера, формирующегося с заземленного объекта. Чем выше усредненное зна- чение скорости, тем выше вероятность попадания молнии в объект. Известно [10], что скорость стриме- ра зависит от напряженности электрического поля в разрядном промежутке. Так, в области, где напряжен- ность Е поля превышает 3·106 В·м-1, скорость стриме- ра может достигать 107 м/с. Однако, такая напряжен- ность, а, следовательно, и скорость, возможны только в стримерной зоне головки лидера молнии. В работе [10] указано, что измеренная средняя скорость лидера 3,36·105 м/с, минимальная – 8·104 м/с, а максимальная – 2,6·106 м/с. Доказано, что существует минимальная скорость стримера, равная в воздухе при нормальных условиях 103 м/с. При меньших значениях стример останавливается. Следовательно, диапазон изменения исследуемого параметра (скорости стримера-лидера) составляет более четырех порядков. Известно [10], что волна ионизации формируется с вершины стержня и распространяется в межэлек- тродном промежутке по направлению к противопо- ложному электроду. Как правило, в воздушных про- межутках длиной до 5 м (характерных для большин- ства лабораторных условий), стример - лидер имеет одноканальную структуру без значительных ветвле- ний. Вокруг канала стримера формируется слабо про- водящий чехол. Принятая в рамках модель стримера базируется на следующих допущениях:  канал критического стримера одиночный (не ветвящийся);  диаметр канала с учетом чехла постоянный;  плотность зарядов в канале однородная. При этих допущениях, длина стримера прямо про- порциональна заряду в канале (с учетом чехла). Инте- гральная величина заряда в канале пропорциональна току стримера и времени по формуле (4). Фактически, это площадь под кривой I(t), представленной на ос- циллограмме (рис. 7)  T dttIQ 0 )( , (4) где Q – величина заряда в канале; T – время протека- ния процесса, I(t) – зависимость силы тока от времени с начала процесса. Рис. 7. Осциллограмма процесса распространения критического стримера 54 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 Обозначим длину канала стримера Lk. Очевидно, что в момент касания противоположного электрода Lk равна длине воздушного промежутка L, а заряд стри- мера имеет значение Q. Этот момент фиксируется по резкому провалу напряжения U(t), приложенного к воздушному промежутку. Следует отметить, что момент замыкания проме- жутка стримером нельзя определять по максимуму тока стримера, поскольку, максимальное значение силы тока достигается после замыкания промежутка и определяется величиной разрядного напряжения в разрядном контуре. Следовательно, результат эксперимента дает такие исходные данные:  общий заряд канала (Q);  интервал времени (Т), в течение которого стри- мер пересек воздушный промежуток;  длина воздушного промежутка (L). По этим данным можно легко определить значе- ние средней на промежутке скорости стримера по очевидной формуле (5). 1 LTVA . (5) Для оценки мгновенных значений скорости стри- мера в различных точках пространства воздушного промежутка, воспользуемся указанными выше пред- положениями о характере распространения стримера. Канал стримера, в виде цилиндра длиной L, опреде- ленного радиуса (значение которого для рассматри- ваемой задачи не существенно) разбивается на N рав- новеликих частей. На каждом n-том участке величина заряда (Qn) оценивается по формуле (6). NQQn  . (6) Дальнейшие действия иллюстрирует рис. 8, на ко- тором изображена типовая кривая I(t) в увеличенном масштабе. Определяется площадь под кривой I(t), дающая величину заряда Q. Эта площадь разбивается на N равновеликих частей. Алгоритм разбиения для некоторых частных случаев будет представлен далее. Отыскиваются соответствующие значения tk. Ско- рость стримера (Vn) на любом, сколь угодно малом, участке определяется по формуле (7). 1)(  nn tNLV  , (7) где Δtn – величина n-ного интервала времени. Рис. 8. Принцип разбиения площади под кривой Результаты расчетной оценки. Рассмотрим ча- стные случаи функциональной зависимости силы тока стримера от времени распространения. Если сила тока не зависит от времени, то стример распространяется с постоянной скоростью. Такой вариант носит гипоте- тический характер, поскольку в экспериментах не наблюдается. В качестве первого приближения, кривую зави- симости I(t) можно аппроксимировать прямой, прохо- дящей под определенным углом наклона (k). В этом случае, функциональная зависимость силы тока от времени описывается формулой (8) tktI )( . (8) После подстановки (8) в формулу (4), для общего заряда стримера получим (9) 25,0 TkQ  . (9) Момент времени (t1) прохождения стримером первого отрезка (совпадает с интервалом времени) отыскивается по формуле (10) N T t 1 . (10) Для вычисления последующих значений tn несложно получить рекуррентную формулу (11) 2 1 2 2          nn t N T t . (11) Характер кривой на осциллограмме (рис. 7, ниж- няя кривая) более точно можно описать экспоненци- альной зависимостью. При этом, удобнее рассматри- вать зависимость в варианте инверсного времени, без учета знака, что позволяет ввести функцию (12): )exp()( ttI   , (12) где α – коэффициент, определяющий скорость затуха- ния функции. Максимальное значение силы тока положим рав- ным единице, поскольку его абсолютное значение не влияет на дальнейшие результаты. По кривой I(t) без труда определяется значение параметра α. Для этого достаточно найти момент времени (te) при котором ток достигает значение 0,368. Параметр α = te -1. Рекуррентное соотношение для отыскания зна- чений времени (tn) по предыдущему значению (tn-1), описывается формулой (13).                      )exp(1 1 )exp( 1 1 T N tt nn   . (13) Это соотношение позволяет легко отыскать все значения tn с любой заданной точностью, определяе- мой числом разбиений N. Следует еще раз указать, что в этом случае отсчет отрезков времени осуществ- ляется от максимума силы тока к началу. В представленном на рис. 7 примере, расстоя- ние от вершины молниеприемника до верхнего по- тенциального электрода составляло 1,2 м. Время развития процесса прорастания стримера, опреде- ляемое как интервал от точки расхождения кривых до момента резкого уменьшения напряжения, со- ставляет 9 мкс. Выбрано число интервалов равное 10. Значения соответствующих интервалов времени, рассчитаны с использованием формулы (13). На ос- новании полученных данных, учитывая, что каждый отрезок длины стримера равен 0,12 м, найдена про- странственная зависимость скорости, представлен- ная графиком на рис. 9. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 55 В рассмотренном примере скорость стримера изменялась от 1,8·104 м/с до 1,1·106 м/с. Среднее зна- чение скорости стримера на воздушном промежутке составляет 1,3·105 м/с. Рассчитанные значения скоро- сти стримера хорошо согласуются с данными, полу- ченными другими методами [10]. Рис. 9. График изменения скорости стримера от пройденного пути Предложенный алгоритм можно описать так:  определяется интегральное значение заряда Q (площадь под кривой зависимости I(t));  выбирается число разбиений, из соображений достаточной точности;  отыскиваются значения интервалов времени, для которых площади под кривой равновеликие и равны N-ой части Q;  скорость на конкретном пространственном про- межутке определяется как частное от деления длины промежутка на время его пересечения. Метод может дополнить процедуру аттестации молниеприемников по стандарту [1]. Выводы. Экспериментально определены функ- циональные зависимости частоты следования стриме- ров с металлических стержней длиной 3,4 м круглого сечения с заостренной вершиной и квадратного сече- ния с плоской вершиной. Установлено, что частота следования стримеров для случая стержня квадратного сечения имеет де- терминированный характер: с ростом напряженности электрического поля частота следования монотонно возрастает с коэффициентом близким к 0,25 с-1·В-1·м. Значение СКО, при прочих одинаковых условиях для случая квадратного стержня в несколько раз меньше, чем для случая заостренного стержня. Установлено, что коронный разряд с заостренно- го стержня в диапазоне напряженности электрическо- го поля от 6 кВ/м до 10 кВ/м прекращается, а частота следования c ростом напряженности достигает 6 кГц. На основании полученных результатов исследо- вания особенностей процесса формирования стри- мерной короны с вершины стержневого молниепри- емника высотой более 1 м предлагается принять в качестве эталонного молниеприемника для проведе- ния испытаний ESE терминалов в соответствии со стандартом [1] стержень квадратного сечения (1212 мм2) с плоской вершиной высотой 1 м. Сертификацию молниеприемников ESE типа рекомендуется начинать со сравнительных испыта- ний со стандартным молниеприемником, путем раз- мещения их обоих в рабочем объеме испытательного стенда и регистрации частоты разрядов в каждый из них при подаче на промежуток коммутационного импульса напряжения с длительностью фронта более 100 мкс. Предложен метод оценки скорости продвижения критического стримера, основанный на синхронном измерении напряжения на разрядном промежутке и силы тока стримера с молниеприемника. На основании совокупности полученных резуль- татов, рекомендуется стандарт [1] не внедрять в каче- стве национального стандарта Украины до полного введения в требования стандарта научно обоснован- ных данных. Результаты получены в рамках выполнения на- учно-исследовательской работы (ГР №0115U000611), которая выполнялась по заказу Министерства образо- вания и науки Украины в 2015-2016 годах. Автор благодарит П.Н. Мельникова и С.П. Ша- ламова за помощь при проведении эксперименталь- ных и теоретических исследований, а научного руко- водителя В.В. Князева – за ценные рекомендации и консультации. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. NF C 17-102:2011 (Ed.2) Protection contre la foudre – Systèmes de protection contre la foudre à dispositif d’amorçage. Union Technique de l'Electricité (UTE), 2011. 82 p. 2. Князев В.В., Лесной И.П., Чернухин А.Ю. Результаты ис- следования параметров активных молниеприемников и рассеи- вателей // Вісник НТУ «ХПІ». – 2008. – №21. – С. 78-87. 3. Ortéga P., Heilbronner F., Rühling F., Díaz R., Rodière M. Charge–voltage relationship of the first impulse corona in long air gaps // Journal of Physics D: Applied Physics. – 2005. – vol.38. – no.13. – pp. 2215-2226. doi: 10.1088/0022- 3727/38/13/021. 4. Moore C.B., Rison W., Mathis J., Aulich G. Lightning rod improvement studies // Journal of Applied Meteorology. – 2000. vol.39. – no.5. – pp. 593-609. doi: 10.1175/1520-0450-39.5.593. 5. Базелян Э.М. Эффект объемного заряда короны в мол- ниезащите // Труды IV Российской конференции по молние- защите. НПО «Стример»: Санкт-Петербург, 2014. – С. 1-16. 6. Чернухин А.Ю. Результаты измерения параметров им- пульсной короны со стержневых молниеприемников // Віс- ник НТУ «ХПІ». – 2014. – №50. – С. 155-160. 7. Чернухин А.Ю., Князев В.В. Особенности стримерной короны со стержневых молниеприемников // Вісник НТУ «ХПІ». – 2015. – №20. – С. 149-155. 8. Князев В.В., Чернухин А.Ю. Эффекты коронирования в условиях предразрядной обстановки // Труды IV Россий- ской конференции по молниезащите. НПО «Стример»: Санкт-Петербург, 2014. – С. 62-70. 9. Резинкина М.М. Моделирование электрических полей при наличии стержней со скругленными вершинами // Жур- нал технической физики. – 2015. – Т.85. – №3. – С. 21-27. doi: 10.1134/S1063784215030238. 10. Lightning Protection / Edited by Vernon Cooray // Ins.Eng.Tech., London, UK. 2010. – 1070 р. REFERENCES 1. NF C 17-102:2011 (Ed.2) Protection contre la foudre – Systèmes de protection contre la foudre à dispositif d’amorçage. Union Technique de l'Electricité (UTE), 2011. 82 p. 56 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №3 2. Kniazev V.V., Lesnoi I.P., Chernukhin A.Iu. Investigation results of the ESE-terminal and dissipaters’ parameters. Bulletin of NTU «KhPІ», 2008, no.21, pp. 78-87. (Rus). 3. Ortéga P., Heilbronner F., Rühling F., Díaz R., Rodière M. Charge–voltage relationship of the first impulse corona in long air gaps. Journal of Physics D: Applied Physics, 2005, vol.38, no.13, pp. 2215-2226. doi: 10.1088/0022-3727/38/13/021. 4. Moore C.B., Rison W., Mathis J., Aulich G. Lightning rod improvement studies. Journal of Applied Meteorology, 2000, vol.39, no.5, pp. 593-609. doi: 10.1175/1520-0450-39.5.593. 5. Bazelian E.M. The effect of the space charge of the corona in lightning protection. Trudy IV Rossiiskoi konferentsii po mol- niezashchite [Proceedings of the IV Russian Conference on Lightning Protection]. NPO «Strimer», Sankt-Peterburg, 2014, pp. 1-16. (Rus). 6. Chernukhin A.Iu. Parameters of pulse corona on metal roads in strength electric field. Bulletin of NTU «KhPІ», 2014, no.50, pp. 155-160. (Rus). 7. Chernukhin A.Iu., Kniazev V.V. A features of streamer crown are from cored air terminals. Bulletin of NTU «KhPІ», 2015, no.20, pp. 149-155. (Rus). 8. Kniazev V.V., Chernukhin A.Iu. Effects of corona in pre- discharge conditions. Trudy IV Rossiiskoi konferentsii po mol- niezashchite [Proceedings of the IV Russian Conference on Lightning Protection]. NPO «Strimer», Sankt-Peterburg, 2014, pp.62-70. (Rus). 9. Rezinkina M.M. Simulation of electric fields in the presence of rods with rounded upper ends. Technical Physics, 2015, vol.60, no.3, pp. 337-343. doi: 10.1134/S1063784215030238. 10. Vernon Cooray. Lightning Protection. Ins.Eng.Tech., London, UK, 2010. 1070 р. Поступила (received) 24.04.2017 Чернухин Александр Юрьевич, м.н.с., НИПКИ «Молния» Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», 61013, Харьков, ул. Шевченко, 47, тел/phone +38 057 7076292, e-mail: chernukhin@yahoo.com A.Yu. Chernukhin Scientific-&-Research Planning-&-Design Institute «Molniya» National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 47, Shevchenko Str., Kharkiv, 61013, Ukraine. Influence of coronary discharge parameters on the efficiency of lightning protection system elements. Purpose. Investigation of the formation of space charge in the region of the apex of lighting rod, under the action of the electric field of a thunderstorm cloud, to evaluate the efficiency of ele- ments of lighting protection systems. Methodology. We have ap- plied the mathematical simulation of electromagnetic field distri- bution on the top of metal rod by different forms. As a mathemati- cal apparatus, we use the finite element method. We considered two forms of the rod section: round and square. The round (cylin- drical) rod has a sharp apex. The square rod has a flat top. The experimental study investigates the features of corona discharge formation. A high-voltage test equipment is created an electric field. Experiments carried out using a configuration consisting a potential plate and vertical rod electrode on grounded plate. The electric field strength varied from 1 kVm-1 to 100 kVm-1. This range corresponds to the thunderstorm condition. Results. We have obtained a correlation between the corona current and the strength of the electric field for various shapes of the rod top. The results of experimental studies confirmed the correctness of the conclusions of theoretical estimates. We show that the time pa- rameters of streamer current pulses vary by no more than 30%, but a streamer charge increase to three time with increasing elec- tric field strength. We proposed and applied a method for measur- ing the velocity of motion of a streamer in the discharge gap. As a result, it is established that the streamer speed is nonlinear in time. For a discharge gap of 1.2 m, the speed varies from 1.8·104 m/s to 1.1·106 m/s. Originality. For the first time, we have carried out a complex of studies of corona discharge parameters from lightning protector rod to apply for the certification procedure of ESE terminals. Practical value. Based on the set of obtained re- sults, it is obviously that the standard NF C 17-102:2011 will not be introduced as a national standard of Ukraine before full intro- duction of scientifically justified data will be include into the re- quirements of the standard. References 10, tables 4, figures 9. Key words: rod lightning terminal, pulse corona, electric field intensity of thunderstorm cloud, corona current, streamer speed.

Влияние параметров коронного разряда на эффективность элементов систем молниезащиты

Institution

Ähnliche Einträge