7. Молния как источник грозовых перенапряжений, защита от прямых ударов молнии, молниеотводы

7.1. Физика разряда молнии

Молния - разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится внутри грозового облака.

Для возникновения грозы необходимы, во-первых сильные восходящие потоки воздуха и , во-вторых, требуемая влажность воздуха в пределах грозовой зоны (эти закономерности были установлены еще М.В.Ломоносовым).

Восходящие потоки воздуха возникают вследствие нагрева прилегающих к поверхности земли слоев воздуха и термически обусловленного теплообмена этих слоев с охлажденным воздухом на большой высоте.

В облаке образуется несколько изолированных друг от друга скоплений зарядов (в нижней части облака скапливаются преимущественно заряды отрицательной полярности), молния бывает обычно многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути.

Точный механизм разделения зарядов в грозовом облаке все еще остается во многом неясным. Однако наблюдения показывают, что разделение зарядов совпадает с замерзанием капель воды в облаке.

Общая характеристика молний

Молния представляет собой явление электрического разряда в атмосфере. Генератором молний являются грозовые (кучево-дождевые) облака, в которых происходит разделение положительных и отрицательных электрических зарядов. Молнии могут также возникать в снежных и песчаных бурях, при извержении вулканов, ядерных взрывах.

Молнии происходят между грозовым облаком и землей, между облаками или различными областями одного и того же облака. Наблюдателю они представляются в виде ярко светящихся зигзагообразных линий с многочисленными разветвлениями. Этот тип молний называется линейной молнией. Линейные молнии возникают часто, наиболее изучены, сопровождаются электромагнитными, тепловыми, газодинамическими, электродинамическими, звуковыми и световыми воздействиями на находящиеся в зоне их влияния объекты.

Значительно реже наблюдается шаровая молния. В большинстве случаев она появляется одновременно с линейной молнией недалеко от места удара последней и выглядит как огненный шар. Имеются также сведения, что возникновение шаровой молнии наблюдалось при мощных коротких замыканиях в электроустановках.

Шаровая молния имеет диаметр, в основном, 10–20 см. Цвет может быть красный, оранжевый, желтый или белый. Свечение не очень яркое, но шаровую молнию можно четко различать при дневном свете. Шаровые молнии обычно перемещаются горизонтально со скоростью нескольких метров в секунду, а также в течение некоторого времени могут оставаться неподвижными или даже передвигаться по вертикали. Иногда шаровые молнии издают шипение. Отмечается сопровождающий шаровую молнию характерный запах, напоминающий горящую серу или озон.

Время жизни шаровых молний составляет обычно несколько секунд, но может иногда быть и больше минуты. Исчезновение шаровых молний происходит быстро и сопровождается сильным треском. Только в редких случаях она исчезает бесшумно. В месте взрыва шаровой молнии происходят обрывы проводов, оплавления поверхностей, возникают отверстия и т.п. Удовлетворительного объяснения шаровой молнии и причин ее возникновения пока не найдено.

Чрезвычайно редким явлением можно считать так называемую чёточную молнию. Внешне она выглядит светящейся пунктирной линией: канал разряда между облаками и землей распадается на светящиеся элементы («четки») длиной до нескольких десятков метров, которые разделяются темными участками. «Четки» существуют значительно продолжительнее, чем канал линейной молнии. Появление чёточной молнии иногда связывается со зрительными эффектами (инструментальные наблюдения отсутствуют), в частности, продолжительное существование четок объясняется инерцией зрения, а не свойством канала разряда. В других случаях для объяснения четок привлекается пинч-эффект или термодинамические свойства канала молнии с радиусом, модулированным по высоте канала.

Линейные молнии изредка наблюдаются при отсутствии грозовых облаков и даже при совершенно ясном небе. Обычно в этих условиях отмечаются поражения молнией летательных аппаратов, например, американской системы «Аполлон-11» во время старта на высотах примерно 2 и 4 км, привязного аэростата на высоте около 1 км и др. Следует также иметь в виду возможность грозовых разрядов из облака в направлении верхних слоев атмосферы.

Э

Рис. 7.1. Схема равновесного атмосферного электрического поля Земли

лектрический заряд земли отрицательный и составляет 5,410⁵ Кл (рис. 7.1). Напряженность электрического поля между землей и положительно заряженной ионосферой, расположенной на высоте ориентировочно 80 км, так называемое «поле ясной погоды», находится в пределах E = 100–200 В/м. Средняя плотность тока на землю в ясную погоду равна j = 2,6^.10^-12 А/м². Это дает общий ток на поверх-ность земли I  1300 A. Таким образом, гигантский конденсатор земля–ионосфера должен был бы разряжаться, однако этого не происходит.

По данным спутниковых наблюдений на земле одновременно существует примерно 3000 грозовых очагов и каждую секунду поверхность ее поражается 100 ударами молнии. Исследования, проведенные в разных частях земного шара, показывают, что 80–90 % молний переносят на землю отрицательный заряд. Если принять, что за один разряд на землю переносится в среднем 20 Кл, и учесть, что 15 % молний переносят положительный заряд, который должен быть скомпенсирован, то получится средний ток, создаваемый молниями, 1400 А. Как видим, роль грозовой деятельности в поддержании отрицательного заряда земли, по-видимому, достаточно велика.

Поскольку наземные объекты поражаются в подавляющем большинстве линейными молниями между облаками и землей, в последующем основное внимание будет уделяться именно им.

Электризация частиц и разделение зарядов в грозовых облаках

Грозовые облака (кучево-дождевые) простираются по высоте до 15 км, в то время как их основание находится на высоте 0,3–3,5 км. Грозовое облако представляет собой, как бы, громадную «вытяжную трубу», в которой воздуху по мере его подъема все время сообщается дополнительное тепло, и в зоне облака он всегда теплее, чем вне его. Сначала происходит конденсация водяных паров, при которой выделяется тепло, затем происходит замерзание капель, также сопровождающееся нагревом окружающего воздуха.

В верхней своей части грозовое облако может состоять из снежинок, кристаллов льда, ледяной крупы, градин. Нижняя часть, находящаяся при температуре выше 0°С, состоит обычно из крупных капель воды и поэтому выглядит очень темной.

Имеется множество теорий электризации капель воды и кристаллов льда в грозовых облаках, в большинстве своем нашедших подтверждение в лабораторных исследованиях. В грозовом облаке могут действовать несколько механизмов электризации в зависимости от стадии развития облака и агрегатного состояния воды в нем.

Н

Рис. 7.2 Структура грозовой ячейки облака

а рис. 7.2 показана усредненная модель грозовой ячейки облака. Уровни расположения зарядов близки к наблюдаемым, а значения зарядов соответствуют средним значениям напряженности электрического поля, измеряемым у поверхности земли. Сравнительно небольшой положительный заряд в нижней части облака часто выпадает с дождем. Предполагается также, что он может способствовать развитию разряда из отрицательно заряженной области.

Грозовое облако по структуре основных зарядов представляет собой диполь. Средний электрический момент, нейтрализуемый при разряде, составляет около 100 Клкм, а максимальный – 500 Клкм. Частота разрядов при умеренных грозах – около 1 в мин., а при интенсивных может достигать 5–10 в 1 мин. Средняя плотность зарядов в облаке 310^9 – 310^8 Кл/м³, а скорость их накопления 310^-10 – 310^8 Кл/(м³с). Средняя продолжительность электрической активности отдельного грозового облака 30–40 мин.

Процесс развития молнии

Как уже отмечалось, большинство ударов молнии (80–90 %) развиваются из отрицательно заряженных областей грозового облака и переносят на землю отрицательный заряд.

Рис. 7.3. Схема развития во времени нисходящей многокомпонентной линейной молнии: а оптическая картина; б токовая картина; I_л ток лидера; I_г.р ток главного разряда; I_п ток после свечения

По мере концентрации отрицательных зарядов в облаке увеличивается напряженность электрического поля, и когда она достигает критического значения, то становится возможной интенсивная ионизация воздуха. В сторону земли начинает развиваться электрический самостоятельный разряд. Потенциал грозового облака относительно земли при этом может достигать примерно 100 МВ. На начальной стадии разряд протекает по лидерному механизму. Канал лидера развивается ступенчато. Ступени следуют друг за другом с интервалами 30–50 мкс. Во время каждой ступени канал удлиняется на 5–100 м. Новая часть разрядного канала светится очень ярко, в то время как старая часть вспыхивает сравнительно тускло (рис. 7.3). Лидерный процесс развивается со средней скоростью (1–2)10⁵ м/с и продолжается (в видимой с земли части) 10–30 мс.

Заряды облака и лидера индуктируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды другого знака. По мере приближения лидера к земле индуктированный заряд и напряженность электрического поля на вершинах возвышающихся над поверхностью земли объектов вырастают, и с них могут начать развиваться встречные лидеры, имеющие заряды, по знаку обратные заряду лидера. Ток в лидерной стадии молнии имеет порядок десятков и сотен ампер.

Когда канал развивающегося от облака лидера приближается к земле или к одному из встречных лидеров на расстояние 25–100 м, то между ними возникает высокая напряженность электрического поля, среднее значение которой оценивается в 10 кВ/м. Промежуток между лидерами пробивается за несколько микросекунд, и в нем выделяется энергия 0,5–5 МДж, которая расходуется на нагрев и термоионизацию. Проводимость этой части канала разряда резко возрастает. Область высокой напряженности поля, образовавшаяся на границе контактирующего с землей хорошо проводящего канала и зоны ионизации лидера, перемещается по направлению к облаку со скоростью от 1,510⁷ до 1,510⁸ м/с (0,05–0,5 скорости света). При этом происходит нейтрализация зарядов лидера и его ионизированного чехла.

Рис. 7.4. Осциллограмма тока главного разряда

Процесс нейтрализации объемного заряда чехла сопровождается частичными (возвратными) разрядами, направленными перпендикулярно каналу лидера. Ток в канале разряда за 5–10 мкс достигает многих десятков килоампер, а затем за время 25–150 мкс спадает до половины максимального значения (рис. 7.4). Процесс этот, называемый главным разрядом, сопровождается сильным свечением канала разряда и электромагнитным излучением. Канал разряда, разогретый за очень короткое время до температуры (20–30)10³ К, быстро расширяется, что вызывает распространение в окружающем воздухе ударной волны, вырождающейся в звуковую и воспринимаемой как гром.

В завершающей (финальной) стадии молнии по каналу в течение десятков миллисекунд проходит ток порядка десятков и сотен ампер. В это время нейтрализуются заряды облака.

В грозовом облаке во многих случаях образуется не одна область повышенной концентрации одноименных зарядов, а несколько. Располагаются они, как показывает анализ изменения электрического поля во время удара молнии, в основном на разной высоте. Поэтому развитие разряда из нижней заряженной области по другим направлениям, кроме земли, затруднено. Только после нейтрализации заряда нижней области становится возможным разряд из следующей по высоте области концентрации зарядов.

Лидер повторного разряда обычно развивается по ионизированному пути, проложенному первым разрядом, поэтому скорость его выше и имеет порядок 10⁶ м/с. Развивается он непрерывно, без ступеней. Ярко светится только его головка, прочерчивая на фоторазвертке по времени непрерывную линию (рис. 7.3). Особенности развития лидера повторных разрядов дали основание называть его стреловидным.

По достижении стреловидным лидером наземного объекта или встречного лидера происходит повторный главный разряд, сопровождающийся прохождением по каналу большого тока и ярким его свечением.

В большинстве случаев молния, развивающаяся из отрицательно заряженного облака, состоит из двух–трех отдельных разрядов (компонентов). В то же время наблюдаются молнии и с большим числом компонентов (до 20 и более). Положительные молнии, как правило, однокомпонентные.

Многокомпонентная молния может длиться до 1,3 с (самое большое зарегистрированное время). Чаще всего длительность молнии не превышает 0,1 с. Следующие друг за другом яркие вспышки канала при повторных импульсах тока воспринимаются наблюдателем как мерцание молнии. Между импульсами тока главного разряда в многокомпонентной молнии наблюдается постоянная составляющая тока величиной десятки ампер и более.

Если высота объекта составляет сотни метров, то напряженность электрического поля на его вершине может достигнуть критического значения раньше, чем напряженность поля в облаке. В таких случаях развитие молнии начинается не с облака, а с вершины объекта. Большинство разрядов, поражающих Останкинскую телебашню, начинается развитием лидера с ее вершины (540 м над поверхностью земли). Такие молнии не имеют резко выраженной главной стадии. Лидеры повторных разрядов в этих случаях всегда развиваются от облака к земле, и повторные компоненты не отличаются от нисходящих от облака молний.

Основные электрические характеристики молнии

П

Рис. 7.5. Упрощенная схема развития главного разряда

ереход от лидерной стадии к главному разряду можно имитировать замыканием на землю вертикального заряженного провода (рис. 7.5). Будем считать, что во время лидерной стадии сформировался проводящий канал (вертикальный провод) с постоянной плотностью отрицательного заряда на единицу длины σ.При замыкании ключа К происходит нейтрализация отрицательного заряда за счет положительных зарядов, поступающих в канал молнии с поверхности земли.

Если волна нейтрализации распространяется вверх со скоростью v, то амплитуда тока

Рис. 7.6. К определению параметров импульса тока молнии

I_м = . (7.1)

Напряжение между облаком и землей U в соответствие с законом Ома

, (7.2)

где z – эквивалентное волновое сопротивление канала молнии.

Если провод замыкается на землю через некоторое сопротивление R,то ток уменьшается и определяется как

. (7.3)

Из (7.3) видно, что ток молнии должен зависеть от значения сопротивления в месте удара, например от сопротивления заземления возвышающегося объекта. В общем случае комплексного дополнительного сопротивления (таким сопротивлением обладает молниеотвод со своим заземлителем) также и форма импульса тока зависит от его величины.

Оценки волнового сопротивления канала молнии, сделанные по измерениям тока на Останкинской телебашне, дают значения 1,l – 8,0 кОм. Теоретические исследования показывают, что при предельно больших амплитудах тока молнии z уменьшается до 300–600 Ом. При таких значениях z влияние сопротивления заземления, по крайней мере, до R = 50 Ом, невелико, и с достаточной степенью точности для расчетов молниезащиты можно принимать эквивалентное волновое сопротивление канала молнии бесконечно большим, т.е. рассматривать молнию как источник тока.

С точки зрения электромагнитного воздействия на установки высокого напряжения большое значение имеют форма и значение тока главного разряда. Приближенно при испытании оборудования высокого напряжения он моделируется апериодическим импульсом (рис. 7.6), который характеризуется длительностью фронта , продолжительностью импульса и максимальным значением тока молнии I_м. Для краткости записи параметров импульса обычно значения длительности фронта и продолжительности импульса записываются в виде дроби / .

Важнейшей характеристикой является максимальное значение (амплитуда) тока молнии I_м, часто называемое просто током молнии. При максимальном значении тока молнии создаются наибольшие падения напряжения на активных сопротивлениях – волновых сопротивлениях проводов и сопротивлениях заземления. Амплитуды токов первых компонентов отрицательных молний, соответствующих 50 % вероятности в статистических функциях их распределения, составляют 30 кА, а последующих компонентов – только 13 кА. При положительных разрядах токи молнии бывают больше, чем при отрицательных. Максимальные токи молнии составляют 200–300 кА, однако крайне редко могут быть и в 2–3 раза больше.

Крутизна фронта тока молнии определяет индуктивные падения напряжения в проводниках и индуктированные напряжения в магнитно-связанных цепях. В практических расчетах обычно пользуются средней крутизной . Это не вносит большой ошибки при способе определения продолжительности фронта, показанном на рис. 7.6. Для первых компонентов отрицательных молний 50%-ное значение максимальной крутизны фронта тока молнии в статистических функциях их распределения составляет 15 кА/мкс, а для последующих компонентов – 40 кА/мкс, максимальные значения до 1000 кА/мкс. Между амплитудой и крутизной фронта тока молнии имеется слабая положительная корреляционная связь: чем больше ток, тем больше крутизна. Однако данных пока недостаточно, поэтому принято считать и независимыми случайными величинами.

Важным параметром поражающего действия тока молнии является также длительность импульса, поскольку ее величина определяет длительность поражающего воздействия и разрядное напряжение изоляции оборудования в соответствии с ее вольт-секундной характеристикой. Длительности импульсов тока для 50%-ной вероятности составляют: для первого импульса отрицательной молнии – (54–80) мкс, для повторного импульса отрицательной молнии – 30 мкс, для импульса положительной молнии – 230 мкс.

Значения зарядов, переносимых молнией, определяют величину энергии W, выделяющуюся в точке удара молнии, и повреждение материала в этом месте ( , где U – переходная разность потенциалов в точке удара молнии). Как следует из экспериментальных исследований, 50%-ное значение переносимого молнией заряда составляет 10 Кл, а максимальные значения достигают 600 Кл при положительных молниях.

Интеграл квадрата тока молнии представляет собой энергию, выделяющуюся в проводнике сопротивлением 1 Ом, и измеряется в Дж/Ом (или в А²с). Называется он удельной энергией или интегралом действия и определяет механические воздействия и нагрев проводников при прохождении по ним тока молнии. 50%-ное значение удельной энергии составляет 10⁵ Дж/Ом,а максимальное значение – 10⁷ Дж/Ом.

В соответствии с результатами статистической обработки полевых измерений ударов молнии в молниеотводы рекомендуется распределение вероятностей токов первичных и повторных разрядов молнии отрицательной полярности с нисходящим лидером, которое характеризуется тремя опорными точками:

Iм, кА	4	20	90
P(Iм)	0,98	0,80	0,05

P(I_м) – вероятность того, что ток молнии равен или больше значения I_м. На рис. 7.7 опорные точки распределения представлены квадратиками.

Для защиты зданий и сооружений по стандарту Международной электротехнической комиссии (МЭК) применяется распределение:

Iм, кА	3	6	10	15
P(Iм)	0,99	0,98	0,95	0,85

На рис. 7.7 оно показано кружками.

С

Рис.7.7.Распределение вероятности токов молнии P(I_м) дл

помощью этих двух распределений обычно и проводятся расчеты по молниезащищенности различных объектов.

При практических расчетах удобно иметь распределение вероятностей токов молнии в аналитическом виде. К настоящему времени для этих целей предложено и используется несколько различных аналитических выражений. На рис. 7.7 сплошной линией представлена зависимость вероятности P(I_м), которая не только хорошо описывает два приведенных выше табличных распределения единым выражением

, (7.4)

но и имеет форму кривой плотности вероятности, близкую для наблюдаемых токов молнии.

Для средней крутизны фронта импульса тока молнии при интервале изменений а_м = 10–100 кА/мкс обычно используют аппроксимацию функции распределения

, (7.5)

где P(а_м) – вероятность того, что средняя крутизна фронта импульса тока молнии равна или больше значения а_м.

В (7.4) ток I_м измеряется в кА, в (7.5) крутизна фронта а_м – в кА/мкс.

Избирательность поражаемости молнии

Рис. 7.8 Направление, выбранное для развития молнии: а лидер на большойвысоте; б лидер на малой высоте

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. 7.8,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. 7.8,б). На рис. 7.8 сплошными линиями, расположенными между лидером и земной поверхностью, показан ориентировочный вид эквипотенциальных поверхностей электрического поля между облаком и землей, демонстрирующий искажение этого поля по мере приближения лидера к наземным объектам.

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.

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. В этом случае главный разряд

начинается от точки соприкосновения лидеров и распространяется как вверх, так и вниз.

Из процесса развития молнии 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. 7.9).

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. На рис. 7.9 сплошными линиями со стрелками в области грунта а показаны наиболее благоприятные направления подтекания зарядов к земной поверхности.

Рис. 7.9. К явлению избирательной поражаемости молнии:

агрунт с хорошей проводимостью; бгрунт сплохой проводимостью

Так 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 только 25–30 % опор и только на определенных участках трассы.