Молния - источник грозовых перенапряжений - Защита электростанций и подстанций 3-500 кВ от прямых ударов молнии

I. молния — ИСТОЧНИК ГРОЗОВЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Образование грозовых облаков.

Грозовые разряды — молнии вызываются электрическими зарядами, которые в больших количествах накапливаются в облаках. Механизм накопления и разделения положительных и отрицательных зарядов в основном объясняется наличием в грозовых облаках восходящих потоков воздуха. В настоящее время существует много теорий, которые, исходя из наличия восходящих потоков воздуха, по-разному в деталях освещают электризацию облаков, но такой теории, которая удовлетворительно объясняла бы это явление, наблюдаемое в природе, пока нет.
Одно из распространенных предположений образования электрических зарядов в облаках исходит из того, что этот физический процесс происходит в постоянном электрическом поле земли, которое обнаружил еще М. В. Ломоносов при проводимых им опытах.
Наша планета всегда имеет отрицательный заряд. Напряженность электрического поля вблизи поверхности земли составляет в среднем 100 В/м (поле «ясной погоды»). Она обусловлена зарядами земли и мало зависит от времени года и суток и почти одинакова для любой точки земной поверхности. Воздух, окружающий Землю, имеет свободные заряды, которые движутся по направлению электрического поля Земли. Каждый кубический сантиметр воздуха вблизи земной поверхности содержит около 600 пар положительно и отрицательно заряженных частиц. С удалением от земной поверхности плотность заряженных частиц в воздухе растет. У земли проводимость воздуха мала, но на расстоянии 80 км от земной поверхности она увеличивается в 3 млрд. раз и достигает проводимости пресной воды.
Таким образом, Землю с окружающей атмосферой по электрическим свойствам можно представить как шаровой конденсатор колоссальных размеров, обкладками которого являются Земля и проводящий слой воздуха, находящийся на расстоянии 80 км от поверхности Земли. Изолирующей прослойкой между этими обкладками служит мало-проводящий электричество слой воздуха толщиной 80 км. Между обкладками такого конденсатора напряжение составляет около 200 кВ, а ток, проходящий под воздействием этого напряжения, равняется 1,4 кА. Мощность конденсатора составляет около 300 МВт. В электрическом поле этого конденсатора в интервале от I до 8 км от поверхности Земли образуются грозовые облака и совершаются грозовые явления.

Рис. 1. Развитие тепловой грозы

По характеру происхождения грозы разделяются на тепловые и фронтальные. Развитие тепловой грозы показано на рис. 1. В результате нагрева солнцем земной поверхности разогреваются нижние слои воздуха. Теплые массы воздуха расширяются и стремятся подняться вверх. На высоте 2 км и более они попадают в область отрицательных температур. Влага, уносимая этими потоками воздуха, конденсируется и образует грозовые облака, которые состоят из мельчайших водяных электрически заряженных капель. Такие облака образуются в жаркое летнее время, преимущественно во второй половине дня, и занимают сравнительно небольшие пространства.

Рис. 2. Развитие грозы холодного фронта

Фронтальные грозы образуются в тех случаях, когда два потока воздуха с разной температурой движутся навстречу друг другу и соприкасаются своими фронтовыми частями. При этом поток воздуха, имеющий более низкую температуру, стремится опуститься вниз и занимает пространство в непосредственной близости от поверхности земли, а теплые массы воздуха устремляются вверх и образуют завихрения (рис. 2). Достигнув высоты с более низкими температурами, унесенная с поверхности земли влага конденсируется и образует грозовые облака.
Фронтальные грозы охватывают широкие площади земной поверхности и движутся со скоростью от 5—6 до 100— 150 км/ч и более. Такие грозы могут возникать в любое время суток. Сконденсировавшаяся влага на высотах с более низкими температурами образует капли разных размеров. Находясь в электрическом поле «конденсатора», капли поляризуются (рис. 3,а): нижние части их имеют положительный заряд, а верхние — отрицательный. Мелкие капли восходящими потоками воздуха уносятся вверх, а крупные, более тяжелые капли падают вниз. При движении вверх поляризованные капли верхней отрицательно заряженной частью встречают на своем пути отрицательные и положительные свободные заряды; первые из них отталкиваются, как имеющие одноименный заряд, а вторые— притягиваются, и капли постепенно становятся положительно заряженными. Те капли, которые движутся вниз, наоборот, притягивают отрицательные заряды и становятся отрицательно заряженными.

Рис. 3. Схема разделения зарядов в облаках:
а — поляризация дождевых капель; б — электрическое поле облака с разделенными зарядами

Таким образом, происходит разделение зарядов в облаке: в верхних слоях его скапливаются положительные заряды, а в нижних — отрицательные. Так как облако является изолятором, то заряды на некоторое время остаются на своих местах и не нейтрализуются. Электрическое поле облака как более сильное при наложении на поле «ясной погоды» изменяет направление последнего в районе своего расположения (рис. 3,6).
Заряды в облаке распределяются неравномерно: в некоторых точках их плотность достигает большого значения, в других, наоборот, она незначительна. Там, где создалось скопление зарядов и образовалось электрическое поле с напряженностью, равной критическому значению (25— 30 кВ/см в зависимости от высоты облака), создаются условия для развития молнии. Разряд молнии в основных чертах подобен длинной искре, возникающей в воздухе между проводящими электродами.

Ионизация воздуха.

Воздух, как и другие вещества, состоит из атомов, объединенных в молекулы. Каждый атом представляет собой положительно заряженное ядро (протоны), вокруг которого вращаются на некоторых «разрешенных» орбитах электроны, имеющие отрицательный заряд, количественно равный положительному заряду ядра. Отрыв электронов от атомов или молекул называется ионизацией. В результате ионизации появляются две частицы: ядро с оставшимися электронами, представляющее собой положительно заряженный ион, и отделившийся отрицательно заряженный электрон. Для осуществления акта ионизации требуется затрата определенного количества энергии, которая называется энергией ионизации. Если к воздушному промежутку, образованному двумя проводящими электродами, приложить напряжение, то имеющиеся свободные в этом промежутке ионы и электроны под воздействием напряженности поля начнут двигаться в направлении поля. Масса электрона на 4—5 порядков меньше массы ядра. Поэтому свободный электрон, движущийся в электрическом поле воздушного промежутка, имеет большую скорость, чем ядро. При столкновении с молекулами воздуха электрон способен отрывать от них новые электроны, т. е. производить ионизацию. Такой процесс ионизации при столкновении электрона с атомами или молекулами называется ударной ионизацией (рис. 4).

Рис. 4. Схема ударной ионизации электроном

Рис. 5. Схема ионизации возбужденной молекулы:
а — электрон в результате соударения возбуждает молекулу: б — при возвращении электрона но устойчивую орбиту излучается фотон, ионизирующий другую возбужденную молекулу

Но не при всяком столкновении движущийся электрон отрывает другой электрон от молекулы. Столкновение может вызвать переход электрона молекулы на более удаленную от ядра неустойчивую орбиту. При этом удаленный электрон получает дополнительную энергию от движущегося электрона. Этот процесс называется возбуждением молекулы. Возбужденная молекула «живет» в течение примерно 10~10 с, после чего происходит обратный переход электрона на устойчивую орбиту. При возвращении электрона на устойчивую орбиту возбужденная молекула излучает ранее полученную энергию в виде фотона, который при определенных условиях способен вызвать ионизацию или возбуждение других молекул. Этот процесс носит название фотоионизации (рис. 5). Фотоионизацию могут вызвать фотоны, излучаемые молекулами, участвующими в газовом разряде, космические лучи, излучение радиоактивного распада и световые волны в ультрафиолетовой части спектра (рис. 6).

Рис. 6. Схема ионизации фотоном
Кроме того, ионизация молекул воздуха может наступить при высоких температурах. С повышением температуры усиливается хаотическое (тепловое) движение молекул и свободных электронов. В этом случае в результате столкновения молекул с электронами может иметь место ионизация, которая получила название термоионизации.
Процесс, обратный ионизации, когда заряды частиц взаимно компенсируются, называется рекомбинацией (нейтрализация зарядов частиц). При рекомбинации излучаются фотоны.

Лавины электронов. Образование стримеров.

Если в воздушном промежутке между плоскими электродами напряженность электрического поля достигает критического значения, при котором возможна эффективная ударная ионизация, то Движущийся электрон ионизирует молекулу, что приводит к образованию положительного иона и двух
электронов. Эти электроны, разгоняясь в электрическом поле, ионизируют каждый по молекуле. В результате образуется три положительных иона и четыре электрона. Продолжаясь, процесс ионизации приводит к образованию лавины электронов и ионов (рис. 7). Образовавшиеся положительные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны — к положительному.



Рис. 7. Схема образования лавины электронов (а) и распределение в ней заряженных частиц (б)

Так как подвижность электронов много больше подвижности ионов, то ионы при рассмотрении этого процесса можно считать неподвижными.
После того, как электроны уйдут на анод, оставшийся объемный положительный заряд вблизи анода сильно искажает электрическое поле и повышает напряженность. За счет излучения фотонов в области сильного поля у анода возникает ионизация воздуха и образуются вторичные электроны (рис. 8,а), которые дают начало новым вторичным лавинам (рис. 8,6). Возникшие вторичные лавины направляются к области положительного заряда у анода. Электроны вторичных лавин проникают внутрь положительного объемного заряда и образуют узкий нитевидный канал, заполненный проводящей плазмой*. Такой канал получил название стримера. Так как канал стримера проводящий, то он как бы удлиняет анод. Напряженность поля на головке стримера возрастает, что способствует образованию новых электронных лавин (рис. 8,е, г), развивающихся по направлению к головке стримера. Электроны новой лавины, смешиваясь с положительными ионами вблизи головки стримера, снова образуют плазму, и канал стримера удлиняется. После того как стример перекроет весь промежуток, разряд переходит в искровую стадию (рис. 8,(3), которая характеризуется интенсивной термической ионизацией и значительным повышением проводимости плазменного канала.

*Плазма наряду с твердым, жидким и газообразным состоянием материи является четвертым состоянием и представляет собой газ, который состоит из равного количества ионов и электронов ионизированных молекул.

Рис. 8. Возникновение и развитие анодного стримера в малом промежутке с равномерным полем:
а — начальная лавина пересекла промежуток: электроны лавины поглощены анодом; головка лавины интенсивно испускает фотоны; б— фотоионизация вызвала вторичные лавины; электроны вторичных лавин проникают внутрь первичной лавины; началось образование плазменного канала — стримера; в, г — на конце плазменного канала (со стороны катода) резко увеличивается напряженность поля, что приводит к интенсивной фотоионизации и возникновению новых лавин; плазменный канал быстро прорастает к катоду (положительный стример); д — стример достиг катода; разряд переходит в искровую стадию

Так развивается разряд в малых промежутках с однородным электрическим полем в однолавинной форме с переходом в стримерную.
По форме электрические поля делятся на однородные, слабонеоднородные и резконеоднородные. Однородным полем называется такое поле, в котором вдоль силовых линий напряженность поля постоянна. Примером такого поля может служить поле в средней части плоского конденсатора.
Если напряженность поля вдоль силовых линий изменяется ориентировочно не более чем в 2—3 раза, такое поле считается слабонеоднородным. Примером слабонеоднородного поля является поле между двумя шарами шарового разрядника или поле между жилой и оболочкой кабеля. Резконеоднородным полем называется поле, в котором напряженность изменяется вдоль силовых линий на несколько порядков. В электроустановках в большинстве случаев электрические поля являются резконеоднородными.
В промежутках с резконеоднородным полем, где ионизационные процессы не охватывают всего промежутка, концентрируясь в узкой зоне вблизи одного или обоих электродов, разряд не переходит в искровую стадию при достижении у электродов критического значения напряженности.

Разряд в такой форме получил название коронного разряда или просто короны. Только дальнейшее повышение напряжения на промежутке приводит к возникновению стримеров и переходу в стадию искрового разряда. В промежутках длиной в десятки сантиметров искровой разряд в воздухе происходит при средних напряженностях поля порядка 10 кВ/см.

Лидерная стадия разряда.

В воздушных промежутках длиной в несколько метров или десятков метров проводимость образовавшихся стримеров для развития разряда оказывается недостаточной и по следу одного из стримеров возникает разряд в новой так называемой лидерной форме. Термически ионизированная часть канала стримера называется лидером. Плотность заряженных частиц в канале лидера значительно выше, чем у стримера. Поэтому потенциал головки возрастает и создаются условия для лучшего продвижения стримера и преобразования этого стримера в лидер.

Рис. 9. Схематическое изображение распространения отрицательного лидера в воздухе:
АВ — первая лавина; СД — стример
На рис. 9 показана схема образования отрицательного лидера. Поток электронов движется от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду).
Лавины электронов показаны в виде заштрихованных конусов, а пути вылетевших фотонов — волнистыми линиями.
Внутри движущейся лавины (заштрихованные конусы) воздух ионизируется ударами электронов. Вылетевшие фотоны также ионизируют воздух (в конце волнистой линии). Электроны, получившиеся в результате ионизации молекул воздуха фотонами, дают начало новым лавинам, далеко отстоящим впереди от первой лавины, которые, развиваясь, сливаются в сплошной канал. При этом фотоны имеют скорость 3-10¹⁰ см/с, а скорость продвижения электронов на фронте лавины достигает примерно 1,5-10⁷ см/с. Стример развивается быстрее, чем продвигаются лавины электронов. Из рис. 9 видно, что за время, пока первая лавина пройдет путь АВ, в результате фотоионизации образуется канал стримера с повышенной электропроводностью на длине СД. Средняя скорость развития стримера в сторону анода равна примерно 10⁸—10⁹ см/с. При высокой концентрации электронов, т. с. при достаточно большом токе, возникает интенсивная термоионизация в канале стримера. В результате происходит преобразование канала стримера в хорошо проводящий плазменный канал — лидер.
По мере продвижения лидера в глубь промежутка на конце лидера появляются новые стримеры, которые затем также превращаются в лидер. Постепенное продвижение отрицательного лидера в длинном промежутке с неравномерным полем показано на рис. 10.
По каналу стримера ТК распространяется лидер 777 (рис. 10,а). Как только завершается преобразование канала стримера ТК в лидер, начинается образование новых лавин. Электроны из этих лавин уходят в глубь промежутка (рис. 10,6) и возникает новый стример КЛ (рис. 10,в). Траектория стримеров носит случайный характер.
При таком механизме развития разряда в длинных воздушных промежутках лидер может перекрывать большие расстояния при весьма небольших средних напряженностях поля — порядка 1—2 кВ/см.
Когда лидер достигает противоположного электрода, заканчивается лидерная стадия разряда и начинается стадия главного (обратного) разряда.
В процессе образования главного разряда по лидерному каналу от земли распространяется электромагнитная волна, которая снижает потенциал лидера практически до нуля. Между электродами образуется канал, обладающий очень высокой проводимостью, через который проходит ток разряда.

Развитие грозового разряда.

Разряд молнии аналогичен в основных чертах разряду в длинных промежутках.
Условия для развития молнии создаются в том месте облака, где образовались скопления зарядов и электрическое поле с напряженностью, равной критическому значению. В этом месте начинается процесс ударной ионизации, создаются лавины электронов, под воздействием фотоионизации и термоионизации образуются стримеры, которые преобразуются в лидеры.

Рис. 10. Схема образования отрицательного лидера

Рис. 11. Линейная молния, развернутая во времени:
а — оптическая картина; б — токовая картина; /л — ток лидера; /г р—ток главного разряда; /_ — ток после свечения

Молния может иметь длину от нескольких сотен метров до нескольких километров (в среднем 5 км). Лидерная форма развития молнии позволяет ей перекрывать такие расстояния.
Глазу человека молния представляется в виде сплошной непрерывной линии — узкой яркой полосы или нескольких полос белого, светло-голубого или ярко-розового цвета. В действительности разряд молнии состоит из нескольких отдельных импульсов.
Каждый импульс имеет две стадии: начальную, которая называется лидерной, и главный разряд.
Если импульсы развернуть во времени, как это показано на рис. 11, то видно, что разряд лидерной стадии первого импульса развивается ступенями. Средняя линия ступени составляет примерно 50 м, а пауза между отдельными ступенями — 30—90 мкс. Средняя скорость продвижения лидера составляет 107—108 см/с. Задержки в развитии ступенчатого лидера объясняются по-разному.
Согласно одной гипотезе, задержка происходит из-за того, что для развития лидера должно происходить движение электронов вниз по каналу ведущего стримера, чтобы обеспечить возникновение необходимого градиента потенциала, а на это требуется некоторое время. Это время и является паузой между отдельными ступенями. Второй и последующие импульсы имеют стреловидную форму лидерной стадии, а не ступенчатую. Так как они развиваются по ионизированному каналу, то необходимость в ступенчатом лидере отпадает. При достижении земли лидером первого импульса образуется хорошо проводящий ионизированный канал. Заряд с конца лидера быстро стекает в землю. Этот момент является началом второй стадии грозового разряда, который называется главным (обратным) разрядом. Главный разряд распространяется в виде сплошной светящейся линии от земли к облаку (линейная молния). Как только главный разряд достигает облака, свечение канала ослабевает. Фаза слабого свечения называется послесвечением.
Повторных импульсов в одном разряде молнии может быть до 20 и более, продолжительность одного разряда молнии достигает 1,33 с. Примерно в 40% случаев разряд молнии имеет многократный характер, в среднем с тремя-четырьмя импульсами в одном разряде.
Происхождение повторных импульсов объясняется постепенным притоком зарядов в облаке к каналу молнии.

Избирательность грозового разряда.

На первых стадиях развития лидерного канала молнии напряженность электрического поля на его головке определяется собственными зарядами лидера и находящимися под облаком скоплениями объемных зарядов. Направление разряда определяется максимальными напряженностями электрического поля. На больших высотах это направление устанавливается исключительно самим каналом лидера (рис. 12,а). При приближении лидерного канала молнии к земной поверхности на его электрическое поле начинают влиять поля земли и наземных сооружений. Максимальные напряженности на пути лидера молнии и, следовательно, его направление определяются не только его собственными зарядами, но и зарядами, скопившимися на земле и на наземных сооружениях (рис. 12,6).
Высота Н головки лидера над землей, при которой влияние на поле лидера электрического поля зарядов, скопившихся на земле и на наземных сооружениях, становится таким, что в направлении одного из наземных объектов происходит наибольшее усиление напряженности поля и ориентирование лидера в этом направлении, называется высотой ориентировки молнии. Эта высота тем больше, чем больше электрических зарядов содержит канал лидера.

Рис. 12. Направление, выбранное для развития грозового разряда:
а — лидер на большой высоте; б — лидер на малой высоте

Постепенное продвижение лидера молнии по нанравлению к земле и главного разряда от земли к облаку в случае ровной поверхности земли показано на рис. 13.
При развитии грозового разряда в какое-либо наземное сооружение, например в опору линии электропередачи, навстречу лидеру, двигающемуся из облака к земле, развивается лидер от опоры, как показано на рис. 14. В этом случае главный разряд начинается от точки соприкосновения лидеров и распространяется как вверх, так и вниз.
Из процесса развития грозового разряда видно, что место удара молнии определяется лидерной стадией. Если под тучей окажется какое-либо наземное сооружение, то развивающийся из тучи лидер будет продвигаться к земле по наикратчайшему пути, т. е. навстречу лидеру, идущему от наземного сооружения вверх. Тем самым и будет определена точка, в которую произойдет разряд молнии.
Опыт показывает, что молния чаще поражает те объекты, которые хорошо заземлены и сами являются хорошими проводниками электричества. Если объекты имеют одинаковую высоту, то молния обычно ударяет в тот из них, который имеет лучшее заземление и большую проводимость. Если же объекты имеют разную высоту и грунт вокруг них имеет различное удельное сопротивление, то может быть разряд в объект с меньшей высотой, но с лучшей проводимостью грунта (рис. 15).

Рис. 14. Развитие лидера молнии (три верхних рисунка) и ее главного разряда (три нижних рисунка) при ударе молнии в металлическую опору

Это объясняется тем, что в лидерной стадии разряда токи проводимости, замыкающие токи смещения в почве, протекают преимущественно по путям с повышенной проводимостью и на ограниченных участках земной поверхности накапливается большая часть зарядов, индуктированных лидером. В результате этого на электрическое поле развивающегося лидера из облака большее влияние оказывает электрическое поле зарядов с большей плотностью, которые сосредоточиваются в местах с лучшей проводимостью.
Таким образом может быть объяснена избирательность грозового разряда. Избирательно поражаются участки поверхности земли и наземные сооружения с лучшей проводимостью. Наблюдениями установлено, что на линиях электропередачи высокого напряжения молнией поражаются 25—30 % опор и только на определенных участках трассы.

Рис. 15. К явлению избирательной поражаемости молнии:
а — грунт с хорошей проводимостью; б — грунт с плохой проводимостью

Рис. 16. Электрическое поле между облаком и землей: а — до разряда молнии; б — при разряде молнии

Теория избирательной поражаемости поверхности земли была проверена в Энергетическом институте АН СССР в связи с разработкой грозозащиты нефтяных озер. При этом было установлено, что поражение молнией нефтяных озер маловероятно. Редкое поражение нефтяных озер объясняется малой проводимостью нефти. На рис. 16 показано электрическое поле между облаком и землей, содержащей включения нефти до разряда молнии и при разряде молнии. При медленном изменении электрического поля облака (до разряда) проводимость нефти обеспечивает подтекание необходимого количества зарядов в связи с изменением поля облака. В момент разряда происходит быстрое изменение поля, и перераспределение зарядов не успевает произойти из-за низкой проводимости нефти. Заряды сосредоточиваются на «берегах» нефтяных озер, что приводит к усилению электрического поля между облаком и «берегами» нефтяного озера, как показано на рис. 16,6, и разряд происходит не в поверхность озера, а в его «берега». Это подтверждает теорию избирательности ударов молнии, которая утверждает, что при прочих равных условиях разряды молнии всегда поражают места с повышенной проводимостью почвы.

Параметры молнии.

Основными параметрами, характеризующими ток молнии, являются максимальное значение импульса тока, крутизна фронта тока молнии, длительность фронта импульса и длительность полного импульса, которая равна времени уменьшения тока до половины максимального значения. Длительность импульса тока молнии в основном определяется временем распространения обратного разряда от земли до облака и составляет от 20 до 80—100 мкс. Наиболее часто встречающиеся в разрядах молнии длительности фронта импульса тока составляют 1,5—10 мкс. Средняя длительность импульса тока молнии близка к 50 мкс, что и определило выбор стандартного полного грозового импульса напряжения, применяемого для испытания электрической прочности изоляции оборудования, который возникает на изоляции при ударе молнии и который она должна выдерживать без повреждения.

Рис. 17. Форма стандартного грозового импульса напряжения

Для проведения испытаний изоляции грозовыми импульсами напряжения в одинаковых условиях по международным нормам и ГОСТ 1516.2-76 принят стандартный грозовой импульс напряжения, показанный на рис. 17, у которого для удобства обработки лабораторных осциллограмм действительный фронт заменяется эквивалентным косоугольным.
Для этого на фронте импульса на уровне 0,3 и 0,9 Umax отмечаются точки, через которые проводится прямая линия. Пересечение этой прямой с осью абсцисс и с горизонтальной прямой, проведенной на уровне Umnx, определяет длительность фронта импульса Тф. Длительность импульса ти определяется, как показано на рис. 17.
Условно параметры стандартного полного грозового импульса напряжения обозначаются 1,2/50, это значит, что фронт импульса Тф=1,2 мкс, а длительность импульса ти= = 50 мкс. Длительности фронта и импульса измеряются в микросекундах 11мкс— 10-6 с).
Скорость нарастания тока на фронте импульса называется крутизной фронта и измеряется числом ампер в одну микросекунду.
В табл. 1 приводятся некоторые параметры разрядов молнии для равнинной местности.
В горных местностях амплитудные значения токов молнии снижаются примерно в 2 раза по сравнению с амплитудными значениями в равнинных местностях. Это объясняется уменьшением расстояния от земли до облаков. При меньших расстояниях молнии возникают при меньших скоплениях зарядов на облаках, что ведет к снижению амплитудных значений токов молнии.
Как видно из табл. 1, токи молнии, протекающие по опорам линий электропередачи при их поражении, достигают колоссальных величин — свыше 200 кА.
Таблица 1

Следует иметь в виду, что грозовые разряды, имеющие токи большого значения, возникают очень редко: токи 100 кА и более составляют всего 2 % общего количества грозовых разрядов, а токи 150 кА и более — 0,5 %.
Вероятностное распределение амплитудных значений токов молнии показано на рис. 18, из которого видно, что 40 % всех разрядов имеют токи с амплитудными значениями меньше 20 кА.

Рис. 18. Кривая вероятностного распределения (в процентах) токов молнии

Рис. 19. Кривые вероятностного распределения (в процентах) крутизн фронта импульса тока молнии:
1 — для равнинных районов; 2 — для горных районов

Важным параметром является крутизна фронта импульса тока молнии, от значений которой зависят перенапряжения, возникающие в электроустановках. Крутизна изменяется в широких пределах и имеет слабую тенденцию возрастать при увеличении амплитудного значения тока молнии. На рис. 19 показано вероятностное распределение крутизн фронта импульса тока молнии.

Воздействие токов молнии.

Токи молнии при прохождении через пораженные объекты оказывают на них электромагнитные, тепловые и механические воздействия. Проходя по проводникам, они выделяют количество тепла, которое способно расплавить проводник небольших сечений (телеграфные провода, плавкие предохранители). Ток молнии /м, кА, вызывающий нагревание проводника до температуры плавления или испарения, можно определить по формуле

где k — коэффициент, значение которого составляет для меди 300—330, для алюминия 200—230, для железа 115— 438; q — сечение проводника, мм²; tm — длительность импульса тока, мкс.
Минимальное сечение проводника (токоотвода), обеспечивающее его целостность при прохождении тока молнии, обычно принимается равным 28 мм². Стальной проводник с таким сечением всего за десятки микросекунд нагревается до нескольких сотен градусов при наибольших значениях тока молнии, но не расправляется.
При соприкосновении канала молнии с металлом он может выплавляться на глубину 3—4 мм. Наблюдающиеся в эксплуатации случаи обрывов отдельных проволок у грозозащитных тросов на линиях электропередачи могут происходить от пережога их молнией в месте соприкосновения ее канала с тросом. Поэтому стальные молниеприемники, которые должны противостоять термическим воздействиям канала молнии, имеют большие, чем у токоотводов, сечения: 35 мм² у грозозащитных тросов и не менее 100 мм² у стержневых молниеотводов. При соприкосновении канала молнии с деревом, соломой, газообразной или жидкой горючей средой они могут воспламеняться и вызывать пожары.
Механические воздействия тока молнии проявляются в расщеплениях деревьев, в разрушении каменных и кирпичных строений и пр. Расщепление деревянных опор линий электропередачи происходит вследствие того, что ток молнии, проходя по волокнам древесины, вызывает в ней интенсивное паро- и газовыделение, которое создает высокое давление внутри древесины и разрывает ее.
При дожде расщепление древесины слабее, а без дождя сильнее. Это объясняется тем, что смоченная поверхность древесины имеет большую проводимость и ток молнии проходит преимущественно по поверхности и меньше повреждает древесину.
Расщепление древесины опор часто ограничивается вырыванием лент толщиной 2—3 см и шириной до 5 см, а иногда стойки и траверсы опор молния раскалывает пополам, при этом болты и крючья изоляторов выскакивают и падают на землю. Известен такой случай, когда молния, ударившая в старый тополь высотой 30 м и обхватом в 3 м, разбила его на мелкие куски. При прохождении через щели и узкие отверстия токи молнии также создают значительные разрушающие усилия. Примером этого могут служить случаи разрушения молнией трубчатых разрядников на линиях электропередачи. После прохождения токов молнии в диэлектриках (каменные, кирпичные постройки) между остающимися зарядами возникают электростатические силы, имеющие ударный характер, которые приведут к разрушению каменных и кирпичных построек. В стадии главного разряда ток молнии посредством возникшего электромагнитного поля индуцирует напряжение на проводах и проводящих конструкциях электроустановок вблизи места удара, а, проходя через заземленные объекты, создает падения напряжения, которые достигают сотен и даже тысяч киловольт.
Грозовые разряды происходят как между облаком и землей, так и между облаками. Разряды, происходящие между облаками, не представляют опасности для электроустановок. Разряды, поражающие землю, опасны для людей, животных, а также наземных сооружений.

Грозовая деятельность.

Интенсивность грозовой деятельности в различных местах нашей планеты сильно различается. Наиболее слабая грозовая деятельность в северных районах нашей страны и постепенно увеличивается к югу.
Интенсивность грозовой деятельности в настоящее время характеризуется количеством дней с грозами в году. Средняя продолжительность гроз за один грозовой день для территории Советского Союза составляет 1,5—2 ч.
Интенсивность грозовой деятельности для любого района Советского Союза определяется по картам грозовой деятельности, составленным на основании многолетних наблюдений метеорологических станций (рис. 20).

Рис. 20. Карта грозовой деятельности на территории Советского Союза (среднегодовая продолжительность гроз в часах)

Считается, что в районах с 30 грозовыми часами в год на 1 км² земной поверхности в среднем происходит в два года один удар молнии.
В земную поверхность ежесекундно происходит приблизительно 100 ударов молнии.