Правда об активных молниеотводах

В настоящее время на российском рынке появилось немало коммерческих предложений по установке элементов так называемой активной молниезащиты. Насколько эффективно их применение? Или лучше все-таки довериться проверенной и испытанной за десятилетия системе пассивной молниезащиты? На эти вопросы отвечает профессор, докт. техн. наук, заведующий лабораторией молниезащиты ЭНИН им. Г.М. Кржижановского Эдуард Меерович Базелян. 

Хороший каталог может рассказать о фирме больше, чем самый красочный рекламный буклет. Передо мной двухтомный каталог европейской фирмы DEHN+SОHNE. Первый его том целиком посвящен устройствам защиты от прямых ударов молнии. Среди множества конструкций молниеприемников, токоотводов и заземляющих проводников не удается найти ничего похожего на активные молниеотводы, хотя их все еще продолжают рекламировать в околонаучных публикациях. «Купите нашу активную насадку, — вещает реклама, — и зона вашего молниеотвода расширится в 5-6 раз». Трудно себе представить, что фирма с вековым опытом работы в молниезащите не слышала о таких заявлениях. Еще труднее предположить, что конструкторы фирмы не в состоянии разработать собственную «активную» систему. Дело не в возможностях, а в отсутствии желания себя скомпрометировать. Подобно тому, как серьезное фармацевтическое производство не штампует чудодейственных пищевых добавок, молниезащитная фирма с хорошей репутацией сторонится патентованных, но не проверенных методов воздействия на молнию.

Чтобы разобраться в проблеме активных молниеотводов, надо ответить на ряд вполне конкретных вопросов, связанных с физикой атмосферного электричества. Главные из них: можно ли управлять траекторией молнии, насколько технически реализуемы средства управления сегодня и в какой мере они пригодны для массового использования в практической молниезащите?

Ответ на первый вопрос, безусловно, положительный. Молнии давно возбуждают искусственным путем, например, благодаря старту малых ракет, поднимающих на 200-300 м тонкую заземленную проволоку. В грозовой обстановке эффективность возбуждения искусственных молний (в научной литературе их называют триггерными) достаточно велика. Вероятность успеха близка к 70%. Теоретически возможно полностью разрядить грозовое облако триггерными молниями на дальних подступах  к защищаемому объекту. Но легко представить, во что обойдется такая молниезащита.

В практическом отношении столь же бесперспективны попытки управляющего воздействия непосредственно на нисходящую молнию, которая несет на своей головке потенциал до 100 миллионов вольт относительно земли. Поэтому для управления нужно применять ультравысокие напряжения, что вряд ли привлечет внимание специалистов по молниезащите. Единственно реальным представляется управление встречным разрядом, когда тот стартует от вершины молниеотвода или защищаемого объекта и направляется навстречу каналу молнии. Здесь требуются пояснения.

Встречные разряды достаточно хорошо изучены и в поле, и в лабораторных условиях. Взгляните на схематический рисунок. Молния, приближающаяся к земле со скоростью 200-300 км/ч, переносит на своем канале достаточно весомый заряд, вплоть до нескольких кулон. Этот заряд усиливает электрическое поле у поверхности земли и, особенно, — у вершины заземленных сооружений, например у молниеотвода. В определенных условиях усиленного поля достаточно не только для ионизации воздуха, но и для зарождения горячего плазменного канала высокой проводимости. Его называют «встречный лидер». Встречный лидер движется наперехват молнии. Их контакт завершает процесс, фактически предопределяя точку поражения.

Иногда молния и встречный лидер «промахиваются», и их встреча не происходит. Тогда у экспериментатора открывается возможность получить хорошую наглядную фотографию. Чем раньше стартует встречный лидер и чем быстрее он движется, тем на большем расстоянии от места старта произойдет встреча с молнией. Управляя этим процессом, можно перехватывать молнию на далеких расстояниях от защищаемого объекта.

Все описанное хорошо известно специалистам. В энергетическом отношении старт встречного лидера не представляется экстремально сильным явлением, а потому управляющее воздействие на него не относится к категории фантастических. Практически осуществимых вариантов немало. Все они сводятся к локальному усилению электрического поля у вершины молниеотвода, ибо оно и рождает встречный лидер, и движет его после зарождения. Экспериментально и теоретически доказано, что для старта встречного лидера требуется хотя и технически достижимое, но все-таки очень высокое напряжение — около 500 кВ. По современным меркам, такое относится к категории сверхвысоких. Легко представить себе, как может выглядеть молниеотвод, оснащенный столь высоковольтным источником. К тому же напряжение нельзя прикладывать постоянно. Оно должно начать действовать за несколько миллисекунд до приближения молнии. Последнее требование совершенно обязательное. Иначе у вершины молниеотвода усилится корона — так называют слабую по свечению форму электрического разряда у электродов малого радиуса кривизны (вспомните «огни святого Эльма» над мачтами пиратских бригов — это одна из форм короны).

В грозовой обстановке корона существует практически над каждым возвышающимся объектом малого радиуса, например, над ветвями дерева, вершиной молниеотвода или телебашни. Она нагнетает в атмосферу заряженные ионы. Ионное облако ослабляет электрическое поле у вершины молниеотвода, препятствуя продвижению встречного лидера навстречу молнии. Вот почему очень важны первые метры его пути в ионном облаке. Чтобы помочь лидеру, необязательно усиливать электрическое поле, — можно попросту «надстроить» заземленное сооружение и вынести точку старта из заряженного облака вверх, в свободное пространство.

Строительство должно быть быстрым. Иначе корона успеет создать свою заряженную шапку и над вновь смонтированной вершиной. По результатам компьютерного моделирования нужная скорость прироста молниеотвода вполне земная — около 20 м/с. Ее легко обеспечить струей проводящей жидкости под большим напором (годится просто водопроводная вода), потоком плазмы от мощного пиропатрона или лазерной искрой. Все это выливается во вполне осуществимые конструкции. Тем не менее ни одна из них не применяется в практической молниезащите из-за низкой надежности. Приходится еще раз повторить, что управляющее воздействие должно быть подано точно в срок, когда молния находится в непосредственной близости от защищаемого сооружения. Иначе эффект окажется нулевым. Вот почему необходима система очень строгого контроля за грозовой обстановкой. Именно эта система синхронизации должна подавать команду на запуск импульсного управляющего воздействия. Упреждение или запаздывание команды даже на 1-2 мс совершенно недопустимо. В результате активный молниеотвод становится дорогим и недостаточно надежным для массового применения.

Теперь самое время вернуться к той продукции, что на свободном рынке называют «активными молниеотводами». Фирмы-изготовители не очень любят раскрывать секреты своих изделий, прячась за правило know-how. При «допросе» с пристрастием их специалисты признаются, что в молниеотводе используется эффект воздействия на встречный лидер, который стартует от специальной насадки (она и является предметом продажи). Рассмотренного в этой статье достаточно для объективной оценки ожидаемых результатов.

Насадка представляет собой обоюдоострую коническую конструкцию, на верхнюю часть которой подается импульс высокого напряжения от внутреннего источника. Он использует энергию электрического поля атмосферы и размещен прямо в насадке. Из-за незначительного объема насадки, а главное, из-за малой толщины изолирующей прокладки в ее верхней части управляющее напряжение не может превышать 20-30 кВ. Таким образом, оно, по крайней мере, на порядок меньше, чем нужно для управления стартом встречного лидера.

Остается надеяться только на радиус вершины. Его влияние подробно анализировалось с помощью численного моделирования и описано в российской и зарубежной научной литературе. Оказалось, что острая вершина насадки не в состоянии ни ускорить старт встречного лидера, ни увеличить скорость его роста навстречу молнии. Монтаж активной насадки на молниеотводе оказывается безрезультатным. Аналогичное заключение было сделано и на основании опыта сравнительной эксплуатации активных и обычных молниеотводов специалистами университета Нью- Мехико. Преимуществ «активных» молниеотводов они не выявили. Научная сессия IEEE в 2003 г. в Торонто подвела итог дискуссии по активным молниеотводам. Аргументов в их пользу не нашлось.

Важно отметить, что ни в одном отечественном нормативном документе по молниезащите нет указаний на возможность применения активных молниеотводов, как не содержится их в нормативах многих технически развитых стран, например в США или Германии. Стандарт по молниезащите 62305 Международной электротехнической комиссии тоже не отмечает преимуществ активных молниеотводов. Включенные в него предписания касаются только молниеотводов традиционного исполнения. И только эти предписания являются юридическим основанием для последующей проверки законности применения избранных средств защиты от прямых ударов молнии.

В этой связи вызывает недоумение действие некоторых руководителей государственных инспекций РФ, по-видимому, имеющих особое мнение относительно активных молниеотводов и активно навязывающих их потребителям. Автору этих строк пришлось познакомиться с одним из писем, адресованных руководителям всех организаций и предприятий страны. Письмо разрешает применение активного молниеотвода фирмы FOREND на основании заключения органа по сертификации «ТехноСерт» (сертификат соответствия№POССTR.МШ01.В00445). Мотивы государственного чиновника для специалистов по молниезащите интереса не представляют, а вот с соображениями сотрудников «ТехноСерт» познакомиться хотелось бы, тем более, что среди изучающих молнию они не числятся. Было бы разумно представить страницы этого журнала сертифицирующей организации. Пусть с ее представлениями познакомятся проектировщики и пользователи молниезащиты. Взаимная польза любой дискуссии очевидна, а такой — тем более.