Природа молнии (грозозащита)

Ввиду совершенной непредсказуемости и огромной мощности молний (грозовых разрядов), они представляют потенциальную опасность для многочисленных энергообъектов. Современная наука накопила большой объём теоретической информации и практических данных о грозозащите и грозовой деятельности, и это позволяет решать серьезные задачи, связанные с молниезащитой промышленной и гражданской энергетической инфраструктуры. В данной статье рассматривается физическая природа грозовых явлений и поведение молний, знание которых будет полезно для обустройства эффективной грозозащиты и создания комплексной системы заземления электрических подстанций.

Природа молнии и грозовые облака

В тёплый сезон в средних широтах во время движения циклона, при достаточной влажности и сильных восходящих потоках воздуха, часто происходят грозовые разряды (молнии). Причина этого явления природы заключается в огромной концентрации атмосферного электричества (заряженных частиц) в грозовых облаках, в которых при присутствии восходящих потоков, происходит разделение отрицательных и положительных зарядов с накоплением заряженных частиц в различных частях тучи. Сегодня существует несколько теорий, касающихся атмосферного электричества и электризации грозовых облаков, как важнейших факторов, оказывающих непосредственное влияние на проектирование и создание комплексной грозозащиты и заземления энергообъектов.

По современным представлениям образование заряженных частиц в облаках связано с наличием у Земли электрического поля, имеющего отрицательный заряд. Вблизи поверхности планеты напряжённость электрического поля равняется 100 В/м. Эта величина практически везде одинакова, не имеет зависимости от времени и места проведения измерений. Электрическое поле Земли обусловлено наличием в атмосферном воздухе свободных заряженных частиц, которые находятся в постоянном движении.

Например, в 1 см3 воздуха насчитывается более 600 положительно заряженных частиц и такое же количество отрицательно заряженных частиц. При удалении от земной поверхности в воздухе резко возрастает плотность частиц, имеющих заряд. Вблизи от земли электрическая проводимость воздуха ничтожно мала, но уже на высотах более 80 км электропроводимость возрастает в 3 000 000 000 (!) раз и становится равной проводимости пресной воды. Если провести аналогии, то в первом приближении нашу планету можно сравнить с огромным конденсатором в форме шара.

При этом в качестве обкладок принимается поверхность Земли и воздушный слой, сосредоточенный на высоте восьмидесяти километров над земной поверхностью. В качестве изолятора выступает часть атмосферы толщиной 80 км, которая обладает низкой электропроводностью. Между обкладками виртуального конденсатора возникает напряжение до 200 кВ, а сила тока может составить до 1 400 А. Подобный конденсатор обладает невероятной мощностью – порядка 300 000 кВт (!). В электрическом поле планеты, на высоте между 1 и 8 километрами от уровня земной поверхности, конденсируются заряженные частицы и возникают грозовые явления, которые ухудшают электромагнитную обстановку и являются источником импульсных помех в энергетических системах.

Рис. 1. Тепловая гроза

Грозовые явления классифицируют на фронтальные и тепловые грозы. На Рис. 1 показана схема появления тепловой грозы. В результате интенсивного облучения солнечными лучами разогревается земная поверхность. Часть тепловой энергии переходит в атмосферу и нагревает её нижние слои. Тёплые воздушные массы расширяются и поднимаются выше. Уже на высоте двух километров они достигают области пониженных температур, где происходит конденсация влаги и возникают грозовые облака. Эти облака состоят из микроскопических капель воды, несущих на себе заряд. Как правило, грозовые облака образуются в жаркие летние дни в послеобеденное время и обладают сравнительно небольшими размерами.

Рис. 2. Фронтальная гроза

Фронтальные грозы образуются при условиях, когда сталкиваются фронтальными частями два воздушных потока с разной температурой. Поток воздуха с пониженной температурой опускается вниз, ближе к земле, а теплые воздушные массы устремляются ввысь (Рис. 2). Грозовые облака формируются на высотах с пониженной температурой, где происходит конденсация влажного воздуха. Фронтальные грозы могут имет довольно большую протяженность и охватывать значительную площадь.

При этом фоновая электромагнитная обстановка заметно искажается, наводя импульсные помехи в электрических сетях. Такие фронта движутся со скоростью от 5 до 150 км/час и выше. В отличие от тепловых, фронтальные грозы активны практически круглосуточно и представляют серьезную опасность для промышленных объектов, которые не оснащены системой молниезащиты и эффективным заземлением. При конденсации в электрическом поле холодного воздуха образуются поляризованные водяные капли (Рис. 3): в нижней части капель находится положительный заряд, в верхней - отрицательный.

За счет восходящих потоков воздуха происходит разделение водяных капель: более мелкие поднимаются вверх, а крупные падают ниже. При движении капли вверх отрицательно заряженная часть капли притягивает положительные заряды и отталкивает отрицательные. В итоге, капля становится положительно заряженной т.к. постепенно собирает положительный заряд. Капли, которые падают вниз, притягивают к себе отрицательные заряды и в процессе падения оказываются отрицательно заряженными.

Рис. 3. Поляризация дождевых капель в грозовых облаках.

Аналогично происходит деление заряженных частиц в грозовом облаке: в верхнем слое накапливаются положительно заряженные частицы, в нижнем – с отрицательно заряженные. Грозовое облако практически не является проводником, и по этой причине в течение некоторого времени заряды сохраняются. Если более сильное электрическое поле облака будет оказывать действие на электрическое поле "ясной погоды" ,то оно изменит своё направление в месте расположения (рис. 4).

Рис. 4. Электрическое поле грозового облака с разделёнными зарядами

Распределение заряженных частиц в облачной массе крайне неравномерно:
в отдельных точках плотность имеет максимальное значение, а в других – небольшую величину. В месте скопления большого количества зарядов и образуется сильное электрическое поле с критической напряжённостью порядка 25-30 кВ/см, возникают подходящие условия для образования молний. Грозовой разряд молнии подобен искре, наблюдаемой в промежутке между электродами, хорошо проводящими электричество.

Ионизация атмосферного воздуха

Атмосферный воздух состоит из смеси газов: азота, кислорода, инертных газов и водяных паров. Атомы этих газов объединяются в прочные и устойчивые связи, образуя молекулы. Каждый атом – это ядро из протонов, имеющее положительный заряд. Вокруг ядра вращаются электроны, обладающие отрицательным зарядом («электронное облако»).

В количественном соотношении заряд ядра и суммарный заряд электронов равны друг другу. При ионизации электроны покидают атом (молекулу). В процессе атмосферной ионизации образуются 2 заряженные частицы: положительный ион (ядро с электронами) и отрицательный ион (свободный электрон). Как и многие физические явления, ионизация требует некоторого количества энергии, называемой энергией ионизации воздуха.

Когда в воздушном слое, образованном 2 проводящими электродами, возникнет достаточное напряжение, то все свободные заряженные частицы под влиянием напряженности электрического поля начнут упорядоченное движение. Масса электрона многократно (в 10 000 ... 100 000 раз) меньше массы ядра. Вследствие этого при движении свободного электрона в электрическом поле воздушного слоя, скорость этой заряженной частицы гораздо больше скорости ядра. Обладая значительным импульсом, электрон легко отрывает от молекул новые электроны, тем самым делая ионизацию более интенсивной. Данное явление носит название ударной ионизации (Рис. 5).

Рис. 5. Схема ударной ионизации в грозовых облаках

Однако не при каждом столкновении происходит отрыв электрона от молекулы. В некоторых случаях электроны переходят на неустойчивые орбиты, удалённые от ядра. Такие электроны получают часть энергии от столкнувшегося электрона, что приводит к возбуждению молекулы (Рис. 6.).

Рис. 6. В результате соударения электрон возбуждает молекулу

Период «жизни» возбужденной молекулы составляет всего 10-10 секунды, после чего электрон возвращается на прежнюю, более устойчивую в энергетическом плане орбиту.

Рис. 7. Возниконовение фотона при перемещении электрона на прежнюю орбиту

Когда электрон возвращается на стабильную орбиту возбужденная молекула излучает фотон. Фотон, в свою очередь, при определенных условиях может ионизировать другие молекулы. Этот процесс был назван фотоионизацией (Рис. 7). Также имеются другие источники фотоионизации: космические лучи высокой энергии, ультрафиолетовые световые волны, радиоактивное излучение и др. (Рис. 8).

Рис. 8. Ионизация фотоном молекул воздуха

Как правило, ионизация молекул воздуха происходит при высоких температурах. При повышении температуры молекулы воздуха и свободные электроны, участвующие в тепловом (хаотическом) движении, приобретают более высокую энергию и чаще сталкиваются друг с другом. Результатом подобных столкновений является ионизация воздуха, называемая термоионизацией. Однако могут происходить и обратные процессы, когда заряженные частицы нейтрализуют собственные заряды (рекомбинация). В процессе рекомбинации отмечается интенсивное излучение фотонов.

Образование стримеров и коронного разряда

Когда в воздушном промежутке между заряженными пластинами напряжённость электрического поля увеличивается до критических величин, возможно развитие ударной ионизации, которая является частой причиной импульсных высокочастотных помех. Её суть заключается в следующем: после ионизации электроном одной молекулы возникают два свободных электрона и один положительный ион. Последующие столкновения приводят к появлению 4-х свободных электронов и 3-х ионов с положительным зарядом.

Таким образом, ионизация принимает лавинообразный характер, что сопровождается образованием огромного количества свободных электронов и положительных ионов (Рис. 9 и 10). Положительные ионы накапливаются около отрицательного электрода, а отрицательно заряженные электроны перемещаются к положительному электроду.

Рис. 9. Схема возникновения лавины электронов

Рис. 10 Схема распределения заряженных частиц в лавине электронов

В процессе ионизации свободные электроны приобретают большую подвижность по сравнению с ионами, поэтому последние можно условно считать неподвижными частицами. При переходе электронов к положительному электроду, оставшиеся положительные заряды оказывают сильное влияние на состояние электрического поля, тем самым приводя к росту его напряжённости. Большое количество фотонов ускоряет ионизацию воздуха около анода и способствует возникновению вторичных электронов (Рис.11), которые являются источниками повторных лавин (Рис.12).

Рис. 11. Возникновение начальной лавины сопровождается интенсивным испусканием фотонов

Рис.12. В результате фотоионизации возникают вторичные лавины и начинает формироваться плазменный канал (стример)

Возникшие вторичные лавины движутся к аноду, где сконцентрирован положительный заряд. Свободные электроны прорываются сквозь положительный объемный заряд, приводя к образованию довольно узкого канала (стримера), в котором находится плазма. За счёт отличной проводимости стример «удлиняет» анод, при этом процесс образования лавин свободных электронов ускоряется и происходит дальнейший рост напряженности электрического поля (Рис. 13 и 14), движущихся по направлению к головной части стримера. Дополнительные электроны перемешиваются с положительными ионами, вновь приводя к образованию плазмы, благодаря которой удлиняется канал стримера.

Рис. 13. Рост напряженности электрического поля сопровождается усилением фотоионизации и порождает новые лавины заряженных частиц

Рис. 14. Резкий рост плазменного канала по направлению к катоду

После заполнения стримером свободного промежутка, начинается искровая стадия разряда (Рис. 15), характеризующаяся сверхмощной термоионизацией пространства и ультрапроводимостью плазменного канала.

Рис.15. Искровая стадия. Положительный стример достиг катода.

Описанный процесс образования стримера справедлив для небольших промежутков, характеризующихся однородным электрическим полем. Однако по своей форме все электрические поля разделяются на однородные, слабонеоднородные и резконеоднородные:

• В пределах однородного электрического поля напряженность вдоль силовых линий характеризуется постоянной величиной. Как например, электрическое поле в средней части плоского конденсатора типа.
• В слабонеоднородном поле значения напряженности, измеренные вдоль силовых линий, отличаются не более чем 2 ...3 раза, подобное поле принято считать слабонеоднородным. Например, электрическое поле между 2-мя разрядниками шаровидной формы или электрическое поле, возникающее между оболочкой кабеля экранированного и его жилой.
• Электрическое поле называется резконеоднородным, если оно характеризуется значительным скачками напряженности, что приводит к серьёзному ухудшению электромагнитной обстановки. В промышленных электроустановках, как правило, электрические поля имеют резконеоднородную форму, что требует проверки устройств на электромагнитную совместимость.

В резконеоднородном поле ионизационные процессы собираются рядом с положительным или отрицательным электродом. Поэтому разряд не может достичь искровой стадии и в этом случае заряд формируется в виде короны ("коронный разряд"). При дальнейшем увеличении напряжённости электрического поля в воздушном промежутке формируются стримеры и возникает искровой разряд. Так, если длина промежутка составляет один метр, то искровый разряд возникает при напряженности поля, составляющей около 10 кВ/см.

Лидерная форма грозового разряда

При размерах воздушного промежутка, составляющих несколько метров, формирующиеся стримеры не имеют достаточной проводимости для развития полноценного разряда. По ходу движения стримера образуется грозовой разряд, принимающий лидерную форму. Часть канала, называемая лидером, заполняется термически ионизированными частицами. В канале лидера конценрируется значительное количество заряженных частиц, плотность которых гораздо выше, среднего по стримеру. Это свойство обеспечивает хорошие условия для формирования стримера и преобразования его в лидер.

Рис. 16. Процесс движения стримера и возникновения отрицательного лидера (AB – начальная лавина; CD – образовавшийся стример).

На Рис. 16 продемонстрирована классическая схема возникновения отрицательного лидера. Поток свободных электронов движется от катода к аноду. Заштрихованными конусами показаны образовавшиеся лавины электронов, а в виде волнистых линий показаны траектории излученных фотонов. В каждой лавине при соударениях электронов воздух ионизируется, при этом образующиеся фотоны в дальнейшем ионизируют другие молекулы воздуха. Ионизация принимает массовый характер и многочисленные лавины сливаются в один канал. Скорость фотонов - 3*108 м/с, а скорость свободно движущихся электронов во фронтальной части лавины равняется 1,5*105 м/с.

Развитие стримера происходит быстрее, чем продвижение лавины из электронов. На Рис. 16 показано, что за время прохождения первой лавиной расстояния AB, на отрезке CD формируется канал стримера с ультрапроводимостью по всей длине. Стандартный стример движется со средней скоростью 106-107 м/с. Если свободные электроны имеют достаточно высокую концентрацию, в канале стримера возникает интенсивная термическая ионизация, которая приводит к появлению лидера – линейной структуры с плазменной составляющей.

В процессе движения лидера в его концевой части образуются новые стримеры, которые в дальнейшем тоже переходят в лидер. На Рис. 17 представлено развитие отрицательного лидера в воздушном промежутке с неоднородным электрическим полем: лидер движется по каналу стримера (Рис. 17а); после того, как завершается превращение канала стримера в лидер, возникают новые лавины.

Рис. 17. Схема образования и развития отрицательного лидера на протяжённом промежутке.

Электронные лавины передвигаются по всему воздушному промежутку (Рис. 17б) и образуется новый стример (Рис. 17в). Как правило, стримеры движутся по случайным траекториям. При таком формировании молниевого разряда в протяженных воздушных промежутках даже при небольших напряжённостях электрического поля (от 1 000 до 2 000 В/см) лидер быстро проходит значительные расстояния.

При достижении лидером противоположного электрода, завершается лидерная стадия грозового разряда и берёт начало стадия обратного (главного) разряда. При этом от поверхности земли по каналу лидера распространяется электромагнитная волна, благодаря которой потенциал лидера снижается до нулевого значения. Таким образом, между электродами формируется сверхпроводящий канал, через который проходит грозовой разряд.

Стадии развития грозового разряда

Условия для возникновения молнии образуются в той части грозового облака, где скопление заряженных частиц и напряжённость электрического поля достигли пороговых значений. В этой точке развивается ударная ионизация и образуются лавины электронов, затем под влиянием фото- и термоионизации возникают стримеры, превращающиеся в лидеры.

Рис. 18. Линейная молния, изображённая во временной развёртке:
а – визуальное отображение; б – токовая характеристика.

Протяженность молнии составляет от сотни метров и может доходить до нескольких километров (средняя длина грозового разряда – 5 км). Благодаря лидерному типу развития молния способна проходить значительные расстояния в течение доли секунды. Человеческий глаз видит молнию в виде непрерывной линии, состоящей из одной или нескольких ярких полос белого, светло-розового или ярко-голубого цвета. По факту, грозовой разряд – это несколько импульсов, включающихет две стадии: лидерную и стадию обратного разряда.

На Рис. 18 показана развертка грозовых импульсов по времени, на которой виден развивающийся в форме ступеней разряд лидерной стадии первого импульса. В среднем, линия ступени равняется пятидесяти метрам, а задержка между соседними ступенями доходит до 30-90 мкс. Средняя скорость распространения лидера составляет 105...106 м/с.

Ступенчатая форма развития лидера объясняется тем, что для образования ведущего стримера требуется некоторое время (пауза между ступенями). Последующие импульсы движутся по ионизированному каналу и обладают ярко-выраженной стреловидной формой лидерной стадии. После достижения лидером 1-го импульса поверхности земли возникает ионизированный канал, по которому движется заряд. В этот момент начинается 2-я стадии грозового разряда (обратный разряд).

Главный разряд виден в форме непрерывной яркосветящейся линии, пронзающей пространство между грозовыми облаками и землей (линейная молния). После достижения главным разрядом облака, уменьшается свечение плазменного канала. Данная фаза получила название послесвечение. В одном грозовом разряде отмечается до двадцати повторных импульсов, а продолжительность самого разряда доходит до 1 и более секунды.

В четырёх из десяти случаев наблюдается многократный грозовой разряд, являющийся причиной импульсных помех в энергетических сетях. В среднем отмечается 3...4 импульса. Природа повторных импульсов связана с постепенным притоком оставшихся зарядов в грозовом облаке к плазменному каналу.

Избирательное действие грозового разряда

Когда лидерный канал только начинает развиваться напряженность электрического поля в его головной части определяется объёмом заряда лидера и скоплениями объемных заряженных частиц, находящихся под грозовым облаком. Приоритетное направление разряда зависит от максимальных напряженностей электрического поля. На значительной высоте данное направление определяется только каналом лидера (рис. 19).

Рис. 19. Направление движения грозового разряда на значительных высотах.

При движении лидерного канала грозового разряда в сторону земной поверхности его электрическое поле искажается полем земли и массивных наземных энергообъектов. Максимальные значения напряженности и направление распространения лидера молнии определяются как его собственными зарядами, так и зарядами, сконцентрированными на земле, а также на искусственных сооружениях (Рис. 20).

Высота Н головки лидера над земной поверхностью, на которой проявляется существенное влияние на электрическое поле лидера полей зарядов, накопившихся в значительном количестве на земле и на энергообъектах, способное изменить направление движения лидера, называется высотой ориентирования грозового разряда.
Чем больше электрических зарядов находится в канале лидера, тем на большей высоте может проявиться изменение траектории движения молнии.

Рис. 20. Направление движения грозового разряда на небольших высотах.

На Рис.21 представлено движение главного разряда от земной поверхности к грозовому облаку и распространение лидера по направлению к земле (ровная поверхность).

Рис. 21. Развитие лидерной стадии при молниевом разряде в ровную поверхность

При движении грозового разряда в сторону высотного наземного сооружения (опора ЛЭП или вышка) навстречу лидерному разряду, распространяющемуся из грозового облака к поверхности земли, от наземной опоры развивается встречной лидер (Рис. 22.). При этом главный разряд возникает в точке соединения лидеров и движется в обоих направлениях.

Рис. 22. Развитие лидерной стадии (верх) и стадии главного разряда (низ) при ударе грозового разряда в металлическую опору

Процесс формирования молнии показывает, что конкретное место попадания грозового разряда определяется на лидерной стадии. Если прямо под грозовым облаком будет находиться высотное наземное сооружение (например, телевизионная башня или опора линии электропередач), то формирующийся лидер будет двигаться по направлению к земле по самому короткому пути, то есть навстречу лидеру, которые распространяется вверх от наземного сооружения.

Исходя из практического опыта, можно заключить, что чаще всего молния попадает в те энергообъекты, которые имеют эффективное заземление и хорошо проводят электричество. При равной высоте, грозовой разряд ударяет в тот объект, который имеет более качественное заземление и высокую электрическую проводимость. При различной высоте энергообъектов и если грунт рядом с ними также имеет различное удельное сопротивление, возможно попадание молнии в более низкий объект, расположенный на грунте с лучшей проводимостью (рис. 23).

Рис. 23. Избирательная поражаемость грозовых разрядов: грунт с высокой электропроводимостью (а); грунт с пониженной проводимостью (б).

Данный факт можно объяснить тем, что в процессе развития лидерной стадии токи проводимости протекают по пути с повышенной проводимостью, поэтому на отдельных участках происходит концентрация зарядов, имеющих отношение к лидеру. В результате этого усиливается влияние электрического поля зарядов на земной поверхности на электрическое поле формирующегося лидера. Таким образом объясняется избирательность молний. Как правило, чаще всего поражаются участки грунта и наземные искусственные сооружения с высокой проводимостью. На практике установлено, что на высоковольтных ЛЭП грозовые разряды поражают не более трети опор, расположенных в строго определённых места.

Теория избирательной поражаемости грозовыми разрядами земных объектов нашла практическое подтверждение при обустройстве грозозащиты и заземления энергообъектов электрических подстанций. Те участки, которые отличаются низкой проводимостью, гораздо реже подвергались ударам молний. На рис. 24 представлено электрическое поле между землей и грозовым облаком до удара молнии.

Рис. 24. Электрическое поле между землей и грозовым облаком до удара молнии.

При постепенном изменении напряженности электрического поля грозового облака проводимость грунта обеспечивает баланс количества зарядов при изменении электрического поля облака. При разряде молнии происходит настолько быстрое изменение напряженности поля, что по причине низкой проводимости грунта не успевает произойти перераспределение зарядов. Сосредоточение зарядов в отдельных местах ведет к увеличению напряженности электрического поля между характерными местами и грозовым облаком (Рис. 25), поэтому разряд молнии избирательно ударяет в эти места.

Рис. 25. Электрическое поле между землей и грозовым облаком в момент разряда молнии.

Это наглядно подтверждает теорию избирательности грозового разряда, согласно которой при схожих условиях молнии всегда попадают в те места, где имеется повышенная электропроводимость почвы.

Главные параметры молнии

Для характеристики грозовых токов используются следующие параметры:

• Максимальная величина импульса тока молнии.
• Степень крутизны фронта грозового тока.
• Продолжительность фронта импульса тока.
• Длительность полного импульса.

Продолжительность импульса тока молнии – это время, необходимое для прохождения обратным разрядом дистанции между землей грозовым облаком (20...100 мкс). Фронт импульса тока молнии при этом находится в диапазоне от 1,5 до 10 мкс.

Средняя продолжительности импульса тока грозового разряда имеет величину, равную 50 мкс. Данное значение является стандартной величиной импульса тока молнии при проведении испытаний электрической прочности экранированных кабелей: они должны выдерживать прямые удары молнии и сохранять целостность изоляции. Для проведения испытаний прочности изоляции при воздействии грозовыми импульсами напряжения (испытания регламентированы ГОСТ 1516.2-76) принят стандартный импульс грозовых токов напряжения, продемонстрированный на Рис. 26 (для удобства проведения расчетов фактический фронт приведён к эквивалентному косоугольному).

Рис. 26. Развёртка стандартного грозового импульсного напряжения

На вертикальной оси развёртки импульсного перенапряжения на уровне равном 0,3 Umax и 0,9 Umax размечаются контрольные точки, соединяемые прямой линией. Пересечение данной прямой с временной осью и с горизонтальной прямой, касающейся Umax, позволяет определить продолжительность импульса Тф. Стандартный грозовой импульс имеет значение 1,2/50: где Тф=1,2 мкс, Ти=50 мкс (полная длительность импульса).

Ещё одна важная характеристика грозового импульса – это скорость нарастания тока напряжения на фронте импульса (крутизна фронта, А*мкс). В таблице 1 показаны основные параметры грозовых разрядов для равнинной местности. В горах отмечается уменьшение амплитуды колебаний токов молнии (почти в два раза) в сравнении со значениями для равнин. Это объясняется тем, что горы ближе до облаков, поэтому в горной местности молнии возникают при гораздо меньшей плотности заряженных частиц в грозовых облаках, что приводит к уменьшению амплитудных значений токов молнии.

Таблица 1.

Согласно данным таблицы при попадании молнии в опоры высоковольтных ЛЭП образуются огромные токи – более 200 кА. Однако подобные грозовые разряды, вызывающие значительные токи, отмечаются крайне редко: токи свыше 100 кА возникают не более чем в 2 % случаев от общего количества грозовых разрядов, а токи более 150 кА менее чем 0,5 % случаев. Вероятностное распределение амплитудных значений токов молнии в зависимости от амплитудных значений токов показано Рис. 27. Около 40 % всех грозовых разрядов имеют токи, которые не превышают 20 кА.

Рис. 27. Кривая вероятностного распределения (в %) грозовых токов

Рис. 28. Кривые вероятностного распределения (в %) крутизны фронта импульса грозового тока. Кривая 1 – для равнинных местностей; кривая 2 – для горных условий.

От фактической крутизны фронта импульсного тока грозового разряда зависит уровень импульсных помех и перенапряжений, появляющихся на энергообъектах. Степень крутизны варьирует в широком диапазоне и имеет слабую корреляцию с амплитудными значениями грозовых токов. На рис. 28 показано картина вероятностного распределения уровня крутизны фронтального импульса тока молнии на равнине (кривая 1) и в горах (кривая 2).

Воздействие токов грозового разряда

Во время прохождения токов молнии через различные объекты последние подвергаются механическим, электромагнитным и тепловым воздействиям.
Значительное тепловыделение способно разрушить металлические проводники небольших сечений (например, плавкие вставки предохранителей или телеграфные провода). Для определения критического значения тока молнии Iм (кА), при котором происходит плавление или даже испарение проводника, используются следующая формула

k – удельный коэффициент, зависящий от материала проводника (медь 300...330, алюминий 200 ...230, сталь 115...440).
Q – поперечное сечение проводника, мм2;
tm – продолжительность импульса тока молнии, мкс.

Наименьшее сечение проводника (молниеотвода), гарантирующее его сохранность при разряде молнии в энергообъект, составляет 28 мм2. При максимальных значениях тока стальной проводник аналогичного сечения за считанные микросекунды нагревается до сотен градусов, однако сохраняет свою целостность. При воздействии канала молнии на металлические детали они могут оплавиться на глубину до 3-4 мм. Обрывы отдельных проволок у тросов грозозащиты на ЛЭП часто происходят от пережога грозовым разрядом в точках касания канала молнии и троса.

По этой причине стальные молниеотводы имеют значительные сечения: тросы грозозащиты должны быть в сечении не менее 35 мм2, а стержневые молниеотводы не меньше 100 мм2. При воздействии канала молнии на горючие и легковоспламенимые материалы (дерево, солома, горюче-смазочные материалы, газообразное топливо и др.) могут возникать взрывы и пожары. Механическое воздействие тока грозовых разрядов находит своё проявление в разрушении деревянных, кирпичных и каменных конструкций, в которых отсутствует грозозащита и полноценное заземление.

Расщепление деревянных опор ЛЭП объясняется тем, что ток молнии, двигаясь по внутренней структуре древесины, порождает обильное выделение водяного пара, который своим давлением разрывает волокна древесины. В дождливую погоду расщепление древесины меньше, чем в сухую. Так как мокрая древесина характеризуется лучшей проводимостью, поэтому ток молнии проходит в основном по поверхности древесины, не нанося существенного ущерба деревянным конструкциям.

При молниевом разряде из деревянных опор нередко вырываются куски древесины толщиной до трёх и шириной до пяти сантиметров, а в отдельных случаях молния раскалывает пополам стойки и траверсы опор необорудованных заземлением. При этом металлические элементы изоляторов (болты и крючья) вылетают из своих мест и падают на грунт. Однажды удар молнии был такой силы, что огромный тополь высотой порядка 30 м превратился в груду мелких щепок.

Проходя сквозь узкие щели и небольшие отверстия, грозовые разряды, производят значительные разрушения. Например, токи молнии легко деформируют трубчатые разрядники, установленные на ЛЭП. Даже классические диэлектрики (камень и кирпич) подвергаются разрушительному воздействию мощных разрядов. Электростатические силы ударного характера, которые имеются у оставшихся зарядов, легко разрушают толстостенные кирпичные и каменные постройки.

Во время стадии главного разряда молнии рядом с местом её удара в проводниках и металлических конструкциях энергетических объектов возникают импульсные наводки и перенапряжения, которые проходя через заземление энергообъектов, создают высокочастотные импульсные помехи и значительное падение напряжения, достигающее 1 000 и более кВ. Грозовые разряды могут происходить не только между грозовыми облаками и землей, но и между отдельными облаками. Подобные молнии совершенно безопасны для персонала и оборудования энергообъектов. В то же время грозовые разряды доходящие до земли, представляют серьёзную опасность для людей и технических устройств.

Грозовая деятельность на территории РФ

В различных частях нашей страны интенсивность грозовой деятельности имеет существенные отличия. В северных районах отмечается наиболее слабая грозовая активность. При продвижении на юг наблюдается рост грозовой деятельности, которая характеризуется числом дней в году, когда были грозы. Средняя продолжительность гроз за один грозовой день на территории Российской Федерации составляет от 1,5 до 2 часов. Грозовая активность для любой точки РФ устанавливается по специальным метеорологическим картам грозовой деятельности, которые составляются на основании данных многолетних наблюдений метеорологических станций (Рис. 29).

Рис. 29. Карта грозовой деятельности на территории Российской Федерации и стран СНГ

Интересные сведения о молниях:

• В тех районах, где грозовая активность составляет 30 часов в год, в среднем на один квадратный километр земной поверхности приходится 1 удар молнии за два года.
• Каждую секунду поверхность нашей планеты испытывает свыше ста ударов молний.