• Zasada działania piorunochronów z wczesną emisją lidera

Zasada działania piorunochronów z wczesną emisją lidera
(ang. ESE - Early Streamer Emission, fr. PDA - Paratonnerre à Dispositif d’Amorçage)


Geneza wynalazku

Specyfika właściwości Systemu Ochrony Odgromowej GROMOSTAR wynika z zastosowania aktywnej głowicy(PDA), opracowanej w opraciu o analizę zjawisk fizycznych zachodzących podczas wyładowania atmosferycznego.


Rozkład ładunków w chmurach burzowych


Chmury burzowe cumulo-nimbus są źródłem wyładowań atmosferycznych. Górna warstwa zawierająca kryształki lodu jest naładowana dodatnio, natomiast dolna, krople wody, jest naładowana ujemnie. Różnica potencjałów pomiędzy chmurą i ziemią wynosi kilkadziesiat MV.

Chmura burzowa posiada powierzchnie nawet do kilkudziesięciu km2. Grubość chmury może dochodzić do kilku kilometrów. Jej dolna warstwa jest usytuowana na wysokości około 2 km.
W klimacie umiarkowanym, chmury burzowe powstają na skutek połączenia się dwóch chmur mających dużą różnicę temperatur i ciśnienia. Tego typu chmury burzowe mogą istnieć przez wiele dni i przemieszczają się na odległości setek kilometrów.
Do wyładowania atmosferycznego dochodzi gdy pole elektryczne na powierzchni ziemi osiągnie wartość 15 kV.

tl_files/orwels/pliki/Zasada dzialania z wczesna emisja lidera/chmura_burzowa.jpg



Mechanizmy wyładowania atmosferycznego
Sposoby przepływu ładunków


tl_files/orwels/pliki/Zasada dzialania z wczesna emisja lidera/gezeza wynalazku.jpg

Pierwsza faza wyładowania atmosferycznego zwana liderem jest to wyładowanie o niewielkiej ilości swiatła, może rozwinąć się od chmury w kierunku do ziemi jak również z ziemi w kierunku chmury.

Lider ujemny przesuwa sie od chmury kilkudziesięciometrowymi skokami.
Czas zatrzymania się między przeskokami wynosi od 40 do 100µs.

Prędkość lidera ujemnego wynosi od 10 do 50 cm/µs.
Prędkość lidera dodatniego wynosi od 1000 do 5000 cm/µs. 

Z wysokości chmury, traser schodzący „widzi” ziemię jako zupełnie płaską,
dopiero przy odległościach 200 m do 100 m nad ziemią natężenie pola elektrycznego narasta do kilkuset kV/m (przebicie w powietrzu 3000 kV/m).

tl_files/orwels/pliki/Zasada dzialania z wczesna emisja lidera/gezeza wynalazku 2.jpg

Połączenie się dwóch liderów - schodzącego i wstępującego wyznaczy miejsce uderzenia pioruna.
Poznanie powyższych zjawisk i opracowanie ich teorii pozwoliło na skonstruowanie głowicy piorunochronu z wczesną emisją lidera PDA.



Ochrona odgromowa z użyciem piorunochronów PDA


W warunkach burzowych następuje silny wzrost natężenia pola elektrycznego. Ostrza elementów metalowych i półprzewodnikowych stają się źródłem oddolnych liderów rozwijających się w kierunku czoła schodzącego wyładowania atmosferycznego. Piorunochrony z wczesną emisją lidera (PDA) mają za zadanie wytworzenie oddolnego lidera wcześniej niż pozostałe elementy znajdujące się w obszarze strefy chronionej przez piorunochron PDA.


tl_files/orwels/pliki/Zasada dzialania z wczesna emisja lidera/gezeza wynalazku 3.jpg


Środkowy obiekt chroniony jest zwodem z głowicą PDA.



Zasada działania

Zjawiska wokół ostrza zwykłego

W zwodzie zwykłym jonizacja powietrza nie jest procesem ciągłym, wynika to stąd, że naładowany dodatnio zwód zwykły „zasysa” ładunki ujemne z przestrzeni go otaczającej, pozostająca nad ostrzem chmura ładunku dodatniego „maskuje” obecność ostrza. Wraz z narostem pola elektrycznego (lider zbliża się w kierunku do ziemi) te przerwy są coraz krótsze, następuje ciągła jonizacja i wytworzenie sie lidera oddolnego, który połączy się z liderem biegnącym od chmury w dół.


Zwód zwykły

tl_files/orwels/pliki/Zasada dzialania z wczesna emisja lidera/Zasada dzialania.jpg

1. pierwsza wstępna jonizacja, 2. efekt maskowania (brak jonizacji), 3. następna jonizacja, 4. efekt maskowania, 5. rozwój lidera oddolnego, 6. wyładowanie


Zjawiska wokół głowicy piorunochronu z wczesną emisją lidera (PDA) GROMOSTAR

W głowicy PDA proces jonizacji rozpoczyna się podobnie jak dla ostrza zwykłego, tzn. jony ujemne są zasysane przez dodatnio naładowane ostrze głowicy (narost prądu elektrycznego oraz jego opadanie). Podczas zmniejszania się prądu, układ głowicy „przeciwstawia sie temu zjawisku” wytwarza dodatkowe pole elektryczne wokół ostrza (pole elektryczne obejmuje większą przestrzeń co daje mozliwość wychwycenia nowych ujemnych ladunków). Proces jonizacji ma charakter ciągły, (przebieg „narastającej piły”). Nowe wychwycone jony powodują wzrost prądu, dodatkowe pole elektryczne głowicy maleje (prąd jest iloczynem natężenia pola elektrycznego i gęstości ładunków).

I ~ Const *(E*Q)

Proces powtarza się, z tym że ilości jonów są za każdy razem większe, oraz zewnętrzne pole elektryczne schodzącego lidera jest coraz większe, stąd cała krzywa ma charakter narastający. Następuje rozwój lidera.
W ostatniej fazie, kiedy pole elektryczne schodzącego lidera jest duże i proces jonizacji jest lawinowy (kolor czerwony), wówczas układ głowicy w celu zachowania ciągłości prądu wytwarza silne pole elektryczne przeciwne do pola wymuszającego. Przerwa powietrzna pomiędzy obudową głowicy o potencjale ostrza i podstawą głowicy połączoną z ziemią ulega przebiciu. Powstaje w ten sposób droga bocznikująca obwód wewnętrzny głowicy dla prądu pioruna.


Zwód PDA GROMOSTAR

tl_files/orwels/pliki/Zasada dzialania z wczesna emisja lidera/Zasada dzialania 2.jpg

Ciągła, narastająca jonizacja powoduje wcześniejsze powstanie lidera oddolnego.
1. wstępna jonizacja, 2.,3.,4. na skutek malenia prądu w układzie inicjujacym głowicy indukuje się napięcie (u=-LDi/dt) w celu zachowania ciągłości tego prądu. 5. rozwój lidera oddolnego, 6. wyładowanie.



Budowa i opis działania piorunochronu GROMOSTAR

1. Osłona zewnętrzna wraz z ostrzem
2. Układ inicjujący rozwoj lidera (układ indukcyjno pojemnościowy z iskiernikiem wewnętrznym)
3. Podstawa, iskiernik zewnętrzny
4. Połączenie z masztem, gwint M16




tl_files/orwels/pliki/produkty/budowa_glowicy.jpg


W trakcie burzy przez układ indukcyjno pojemnościowy w głowicy płynie prąd jonizacji, w momencie uderzenia pioruna w głowicę następuje przebicie przerwy powietrznej między obudową głowicy i częścią mocowaną do uziemionego masztu, cały prąd pioruna płynie po zewnętrznej obudowie, układ wewnętrzny jest bocznikowany, dzięki czemu nie ulega zniszczeniu.


tl_files/orwels/pliki/Zasada dzialania z wczesna emisja lidera/Budowa i opis dzialania 2.jpg




Na zdjeciach ślady na głowicy piorunochronu po wyładowaniu o bardzo dużym prądzie, mimo widocznych śladów głowica nie uległa zniszczeniu.

tl_files/orwels/pliki/Zasada dzialania z wczesna emisja lidera/slady.jpg tl_files/orwels/pliki/Zasada dzialania z wczesna emisja lidera/slady_glowica2.jpg

Wróć

ORW-ELS Sp. z o.o. 37-310, NOWA SARZYNA ul. Leśna 2, tel./fax: +48 (17) 241 11 25, e-mail: poczta@orw-els.com
Copyrights © 2010. Wszelkie prawa zastrzeżone przez ORW-ELS.

certyfikat Nr Certyfikatu: NC - 310
ISO 9001:2008