Устройство для создания объемного заряда в атмосфере

 

Использование: в метеорологии, а именно в устройствах для создания объемного заряда в атмосферном воздухе с целью изучения влияния электрических зарядов на микроструктуру метеорологических образований, например слоистого облака или тумана, и может быть использовано в опытных работах по исследованиию процесса осадкообразования. Сущность изобретения: провод распределен по площади в пределах круга с радиусом R ≅ R_o, где R_o - радиус экранирования электрического поля в атмосфере, длина провода L выбрана из условия выполнения соотношения L > 3R, а опоры выполнены разновысокими, причем разность высот составляет 1 400 м.

Изобретение относится к электротехнике,более точно к элекростатике, а именно к устройству для создания объемного заряда в атмосфере.

Известно устройство для создания объемного заряда в атмосфере, содержащее электрод, выполненный в виде вертикального столба, имеющего на своем верхнем конце одно или несколько заострений, подключенный к источнику высокого постоянного или пульсирующего напряжения [1] Это устройство предназначено для воздействия на облака с целью изменения их электрической активности или осадкообра- зующей способности путем искусственного введения в облако нескомпенсированного электрического заряда.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на электрод потенциала одного знака относительно потенциала земли, по величине равного величине критического напряжения, у поверхности заострений происходит коронный разряд, в результате чего в атмосфере в непосредственной близости от заострений создается нескомпенсированный объемный электрический заряд, знак которого совпадает со знаком потенциала на электроде. При этом предполагается, что перенос ионов пространственного заряда к облакам осуществляется под действием электрических сил самого заряда, а также восходящими воздушными потоками.

Производительность (скорость генерации объемного заряда) такого устройства пропорциональна длине коронирующего провода и величине тока коронного разряда. Ввиду ограниченной длины заострений и малой величины тока коронного разряда производительность известного устройства мала, электрическое поле, создаваемое инжектированным объемным зарядом в атмосфере, является слабым, в результате чего электрические силы практически не участвуют в переносе ионов от устройства к облакам. Эффективность устройства вследствие этого при воздействии на облачность, особенно на слоистообразные облака, под которыми восходящие потоки слабы, недостаточна.

Известно также устройство для создания объемного заряда в атмосфере, содержащее один или несколько электродов, имеющих форму заострений, подключенных к источнику высокого постоянного или пульсирующего напряжения, и авиационный реактивный двигатель. При этом электроды установлены в сопле реактивного двигателя [2] При подаче на электроды потенциала, превышающего величину критического напряжения, вокруг поверхности заострений возникает кронный разряд, инициирующий появление в пространстве, окружающем заострения, объемного заряда. Реактивная струя двигателя способствует выносу объемного заряда из разрядного промежутка в атмосферу, чем обеспечивается увеличение тока коронного разряда и, следовательно, производительности устройства.

Однако данное устройство характеризуется большим энергопотреблением, обусловленным использованием авиационного реактивного двигателя.

Известно устройство для создания объемного заряда в атмосфере, содержащее электрод, выполненный в виде провода, закрепленного на опорах над поверхностью земли и подключенного к источнику напряжения, способному обеспечить на проводе потенциал одного знака относительно потенциала Земли, по меньшей мере, равный величине критического напряжения, при котором вокруг провода возникает коронный разряд. Провод имеет длину 6-7 км и для охвата возможно большей территории растянут по прямой линии или имеет один поворот на 90^о, или растянут по форме буквы Т [3] Известное устройство, которое благодаря большой длине коронирующего провода способно создавать в атмосфере вблизи провода по всей его длине объемный заряд большой мощности. Однако плотность этого объемного заряда и соответственно напряженность создаваемого им в атмосфере электрического поля мала, что является следствием подвески коронирующего провода по прямой на большие расстояние, в результате чего объемный заряд также распределяется в воздухе на большие площади. Ввиду малой напряженности электрического поля электрические силы недостаточны для сообщения ионам скоростей, обеспечивающих их перенос от устройства, в особенности при использовании его для воздействия на слоистообразные облака. Расчетное время достижения ионами облака при использовании известного устройства составляет не менее 2,5-3 ч.

В основу изобретения положена задача разработать устройство для создания объемного заряда в атмосфере с такой конструкцией коронирующего электрода, которая обеспечивала бы инжектирование объемного заряда, имеющего плотность, достаточную для создания электрического поля в окрестностях устройства в атмосфере, способного сообщать инжектированным ионам скорости движения от устройства к облакам, по меньшей мере, соизмеримые со скоростями перемещения воздушных масс в восходящих потоках.

Эта задача решается тем, что в устройстве для создания объемного заряда в атмосфере, содержащем электрод, выполненный в виде провода, закрепленного на опорах над поверхностью земли и подключенного к источнику напряжения, способному обеспечить на проводе потенциал одного знака относительно потенциала земли, по меньшей мере, равный по величине критическому напряжению, при котором вокруг провода возникает коронный электрический разряд, согласно изобретению длина L провода, распределенного по площади в пределах круга с радиусом R выбрана из условия выполнения соотношения L ≥ 3 R.

Целесообразно с учетом эффекта экранирования электростатического поля нейтральной материей, в которой это поле распространяется, провод разместить на площади, ограниченной окружностью радиусом R=R_о, где R_о радиус экранирования электростатического поля в атмосфере. При этом провод можно распределить в пределах указанной площади в виде множества параллельных линий.

Для дополнительного увеличения плотности объемного заряда целесообразно провод подвесить на разновысоких опорах при разности высот опор от 1 до 400 м.

Устройство для создания объемного заряда в атмосфере, выполненное в соответствии с настоящим изобретением, позволяет создавать в своих окрестностях в атмосфере электрическое поле, способное сообщать инжектированным ионам скорости движения от установки к облакам, сравнимые со скоростями перемещения воздушных масс. Использование электрического поля для переноса ионов к облакам позволяет эффективно воздействовать на слоистообразную и кучевую облачность, существенно сократить время переноса ионов от устройства к облаку.

Вариант выполнения устройства, в котором коронирующий провод распределен в виде параллельных линий на площади, ограниченной окружностью радиусом R R_о, где R_о радиус экранирования электростатического поля в атмосфере, при выборе достаточной длины L провода в частности за счет использования разновысоких опор удается реализовать объемный заряд в атмосфере максимальной плотности при сравнительно небольших габаритах устройства. Для атмосферы у поверхности земли R_о 400 м.

Устройство для создания объемного заряда в атмосфере содержит электрод, выполненный в виде провода, подвешенного на опорах на высоте Н над поверхностью земли параллельными линиями, расположенными на расстоянии а одна от другой. Привод подключен к высоковольтной клемме источника постоянного напряжения, закрепленного на верхнем конце одной из опор.

Под проводом приблизительно на полувысоте опор натянуты заземленные провода в виде параллельных линий, расположенных в поперечном направлении по отношению к линиям подвески провода.

Длина L провода, распределенного по площади в пределах круга с радиусом R, выбрана из условия выполнения соотношения R ≥ 3R. Причем, чем большей длины L провод распределен в пределах данной площади, тем большая мощность объемного заряда может быть достигнута. Однако длина L провода в этом круге не может быть сделана сколь угодно большей, так как согласно известной закономерности два коронирующих проводника, помещенных поблизости, оказывают взаимное влияние и, если они расположены параллельно и расстояние a между ними меньше некоторых предельных площади и высоты Н подвески коронирующего провода, существуют оптимальные длины L и схема подвески, при которых производительность устройства максимальна.

В то же время известно (см. Pokhmelnykh L.A. Geosolar-cosmic relations in electrostatics with field Escreening by matter. //Geo-cosmic relations; the earth and its macro-environment, Pudoc, Wageningen, the Netherlands, p. 327-335), что электростатическое поле точечного заряда резко ослабевает по мере удаления от этого заряда в радиальном направлении из-за присутствия эффекта экранирования этого поля нейтральной материей, в которой оно существует.

При учете экранирования электростатического поля нейтральной материей напряженность Е поля в атмосфере определяется градиентом плотности объемного заряда в шаровом объеме с радиусом, равным дистанции D, на которой однородное электростатическое поле ослабляется массой воздуха в l раз, из соотношения E 2 πκ²(4πε_o)^-1ρ^-1grad (q/ρ) (1) где κ 500 кг/м² константа экранирования; ε_o 8,85 ˙ 10^-12 Ф/м диэлектрическая постоянная; ρ 1,3 кг/м³ плотность массы воздуха; q плотность объемного заряда воздуха.

Дистанция D, на которой поле Е ослабляется в l раз, D 4 ˙ 10² м в атмосфере у земли величина постоянная и равна D 4 ˙ 10² м (2) Из (1) и (2) следует, что для формирования объемным зарядом в атмосфере предельно интенсивного электрического поля достаточно создавать максимальные плотности заряда воздуха на площади, размеры которой вписываются в круг радиусом R_оD 400 м. Для достижения максимальных значений плотности объемного заряда воздуха в условиях радиального оттока ионов необходимо создавать возможно большую производительность объемного заряда на площади в пределах круга с радиусом R_o ≅ 400 м, которая находится в прямой зависимости от длины L коронирующего провода.

С учетом вышесказанного длину L провода при распределении его на площади, ограниченной окружностью радиусом R_о400 м следует выбрать с учетом соотношения 1200 м < L < 30000 м.

Увеличить длину L провода в пределах той же ограниченной площади позволяет вариант с использованием подвески провода на разновысоких опорах при выборе разности высот опор от 1 до 400 м. При этом минимальный перепад выcот определяетcя еcтеcтвенным провиcанием провода при подвеске его на разновысоких опорах и составляет 1 м.

Устройство для создания объемного заряда в атмосфере согласно изобретению работает следующим образом.

После подачи на провод потенциала от источника высокого напряжения и возникновения коронного разряда в окрестностях устройства инициируется объемный заряд, знак которого совпадает со знаком потенциала. Различие плотности объемного заряда в радиальном направлении от центра устройства определяет градиент плотности заряда, в результате чего в соответствии с зависимостью (1) формируется радиальное электрическое поле. Благодаря выбору длины L провода и распределению его на ограниченной площади, согласно изобретению объемный заряд, создаваемый устройством, обладает достаточно высокой средней плотностью и сопровождается интенсивным электрическим полем. При выборе длины L провода интервале 1200 м <L<30000 и распределения его на площади круга радиусом R_о 400 м удается достичь максимальной плотности объемного заряда в атмосфере. Расчетное значение напряженности Е электрического поля при этом достигает значения 10⁴ В/м в радиусе сотен метров. В этом поле ионы заряда, обретающие подвижность К после своего возникновения ≈ 10^-2 10^-3 см²/Вс, движутся к облакам в основном под воздействием электростатических сил взаимного отталкивания со скоростями более 1 м/с и достигают нижней границы облаков за 10-15 мин. При этом в зоне, ограниченной окружностью радиусом R_о 400 м, каждый ион испытывает на себе в какой-то мере влияние сил взаимного отталкивания со стороны всех остальных ионов, находящихся в этой зоне, что способствует повышению эффективности работы этого варианта устройства. При выборе длины L провода меньше 3 R_о 1200 м на площади круга радиусом R_о плотность инициируемого устройством объемного заряда недостаточна для обеспечения перемещения инжектированных ионов к облакам. В случае же размещения провода длиной L > 30000 м на той же площади параллельными линиями имеет место снижение тока коронного заряда из-за взаимного влияния расположенных параллельно участков этого провода.

При использовании разновысоких опор увеличивается среднее расстояние между проводами в расчете на единицу длин, что приводит к дополнительному увеличению тока коронирования и, следовательно, к увеличению скорости генерации объемного заряда в атмоcфере. В итоге увеличение cкороcти генерации заряда происходит как за счет роста длины L провода, так и за счет снижения их взаимного влияния.

Повышению электробезопасности устройства способствует система натянутых параллельными линиями заземленных проводов, расположенных ниже провода перпендикулярно линиям подвести провода, которая позволяет замкнуть на землю высоковольтную цепь раньше, чем падающий (например, после аварийного обрыва), коронирующий провод коснется человека.

Кроме того, следует отметить, что при подвеске коронирующего провода в пределах круга радиусом R_о 400 м все устройство может быть обеспечено защитным ограждением, что сделает его электробезопасным для населения.

Для повышение электробезопасности установки источник высокого постоянного или пульсирующего напряжения, состоящий из повышающего трансформатора, выпрямителя и других элементов высоковольтной цепи, укреплен на опоре, к которой крепится коронирующий провод, на высоте не менее трех метров. При этом корпус источника высокого напряжения может быть использован как связующее звено между коронирующим проводом и опорой. В этом случае длина соединительной линии, находящейся под высоким напряжением, минимальна, а электробезопасность наибольшая.

Был изготовлен и испытан опытный вариант устройства для создания объемного заряда в атмосфере согласно изобретению.

Провод, коронирующий при потенциале 60 кВ распределяли по площади 150x100 м² что вписывается в круг радиусом R 200 м. Длину L провода выбирали равной 900 м > 3R и подвешивали провод на опорах в виде шести параллельных линий на высоте Н 7 м. Расстояние а между линиями брали равным 20 м, при этом длина каждой линии была 150 м. Источник высокого напряжения был закреплен на верхнем конце одной из опор и служил связующим звеном между проводом и опорой. Поперек линий коронирующего провода на полувысоте опор были натянуты заземленные провода в виде шести параллельных линий. При испытаниях производительность установки составляла 4 ˙ 10^-3 Кл/с. С помощью устройства осуществляли воздействие на слоистообразные облака. Эффект рассеяния наблюдался через ≈ 30 мин после начала воздействия.

Устройство для создания объемного заряда в атмосфере согласно изобретению предназначено для воздействия на атмосферные образования, в частности для рассеяния облаков и туманов. Устройство может быть использовано для защиты сельскохозяйственных угодий, аэродромов, населенных пунктов от воздействия излишних осадков, гроз и града.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА В АТМОСФЕРЕ, содержащее коронирующий электрод в виде провода, закрепленного на опорах и подключенного к источнику высокого напряжения, отличающееся тем, что провод распределен по площади в пределах круга с радиусом R ≅ R₀, где R₀ радиус экранирования электрического поля в атмосфере, длина провода L выбрана из условия выполнения соотношения L ≥ 3R, а опоры выполнены разновысокими, причем разность их высот составляет 1 400 м.