Обычным источником молний являются грозовые кучево-дождевые облака, несущие в себе скопление положительных и отрицательных электрических зарядов в верхней и нижней частях облака и образующие вокруг этого облака электрические поля возрастающей напряженности. Образование таких объемных зарядов различной полярности в облаке (поляризация облака) связано с конденсацией вследствие охлаждения водяных паров восходящих потоков теплого воздуха на положительных и отрицательных ионах (центрах конденсации) и разделением заряженных капелек влаги в облаке под действием интенсивных восходящих тепловых воздушных потоков.

Грозовые разряды по внешним признакам могут быть разделены на несколько типов. Обычный тип - линейная молния, с разновидностями: ленточная, ракетообразная, зигзагообразная и разветвленная. Наиболее редкий тип разрядов - шаровая молния. Известны разряды, носящие названия «Огни святого Эльма» и «Свечение Анд».

Молния обычно бывает многократной, т.е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути, причем каждый разряд, так же как и разряд, получаемый в лабораторных условиях, начинается лидерным и завершается обратным (главным) разрядом. Скорость опускания лидера первого единичного разряда примерно равна 1500 км/с, скорости лидеров последующих разрядов достигают 2000 км/с, а скорость обратного разряда изменяется в пределах 15000 -150000 км/с, т.е. от 0,05 до 0,5 скорости света. Канал лидера, как и канал всякого стримера, заполнен плазмой, следовательно, обладает определенной проводимостью. Верхним концом лидерный канал соединен с одним из заряженных центров в облаке, поэтому часть зарядов этого центра стекает в канал лидера. Распределение заряда в канале должно быть неравномерным, возрастая к его концу. Однако некоторые косвенные измерения позволяют предположить, что абсолютная величина заряда на головке лидера невелика и в первом приближении канал можно считать равномерно заряженным с линейной плотностью зарядов σ.

Общий заряд в канале лидера в этом случае равен Q = σ l, где l - длина канала, причем обычно значение его составляет около 10% значения заряда, стекающего в землю во время единичного разряда молнии. В 70-80% всех случаев этот заряд имеет отрицательную полярность.

Рисунок 6. Отдельные стадии развития обратного разряда и изменение во времени тока молнии.

А - последняя стадия лидерного разряда; Б - последняя стадия лидерного разряда; В-возникновение зоны интенсивной ионизации вблизи поверхности земли; Г - промежуточная стадия развития обратного разряда; Д - заключительная стадия развития обратного разряда; l - канал лидера; 2 - зона перестройки канала; 3 - канал обратного разряда.

По мере продвижения канала лидера под действием создаваемого им электрического поля в земле происходит смещение зарядов, причем заряды, противоположные по знаку зарядам лидера (обычно это положительные заряды), стремятся расположиться как можно ближе к головке лидерного канала. В случае однородного грунта эти заряды скапливаются непосредственно под лидерным каналом. Если грунт неоднородный и основная его часть обладает большим удельным сопротивлением, заряды сосредоточиваются в участках с повышенной проводимостью (реки, грунтовые воды). При наличии заземленных возвышающихся объектов (молниеотводы, дымовые трубы, высокие здания, смоченные дождем деревья) заряды стягиваются к вершине объекта, создавая там значительную напряженность поля.

На первых стадиях развития лидерного канала напряженность электрического поля на его головке определяется собственными зарядами лидера и находящимися под облаком скоплениями объемных зарядов. Траектория движения лидера не связана с земными объектами. По мере опускания лидера все большее влияние начинают оказывать скопления зарядов на земле и возвышающихся объектах. Начиная с определенной высоты головки лидера (высота ориентировки), напряженность поля по одному из направлений оказывается наибольшей, и происходит ориентирование лидера на один из наземных объектов. Естественно, что при этом преимущественно поражаются возвышающиеся объекты и участки земли с повышенной проводимостью (избирательная поражаемость). С очень высоких объектов навстречу лидеру развиваются встречные лидеры, наличие которых способствует ориентированию молнии на данный объект.

Рисунок 7. Замыкание на землю вертикального заряженного провода

После того, как канал лидера достигнет земли или встречного лидера, начинается обратный разряд, во время которого канал лидера приобретает потенциал, практически равный потенциалу земли. На головке развивающегося вверх обратного разряда имеется область повышенной напряженности электрического поля, под действием которой происходит перестройка канала, сопровождающаяся увеличением плотности зарядов плазмы от 1013 - 1014 до 1016 - 1019 1/м3, благодаря чему проводимость канала увеличивается, по крайней мере, в 100 раз. Во время развития обратного разряда через место удара проходит ток iM = σ v, где v - скорость обратного разряда.

Таким образом, и при разряде молнии ток в месте удара будет равен σv только при сопротивлении заземления, равном нулю. При сопротивлениях заземления, отличных от нуля, ток в месте удара уменьшается. Количественно определить это уменьшение довольно трудно, так как волновое сопротивление канала молнии можно оценить лишь грубо приближенно. Имеются основания предполагать, что волновое сопротивление канала молнии уменьшается при увеличении тока, причем среднее значение примерно равно 200 - 300 Ом. В таком случае при изменении сопротивления заземления объекта от 0 до 30 Ом ток в объекте изменяется всего на 10%. Такие объекты в дальнейшем мы будем называть хорошо заземленными и считать, что через них проходит полный ток молнии iM = σ v.

Молнии с большими токами возникают крайне редко. Так, молнии с токами 200 кА возникают в 0,7… 1,0% случаев от общего числа наблюдавшихся разрядов. Число случаев ударов молний с величиной тока 20 кА составляет порядка 50%. Поэтому принято значения амплитуд токов молний представлять в виде кривых вероятностей (функций распределения), для которых по оси ординат откладывается вероятность появления токов молнии с максимальным значением.

Основной количественной характеристикой молнии является ток, протекающий через пораженный объект, который характеризуется максимальным значением iM, средней крутизной фронта и длительностью импульса tи, которая равна времени уменьшения тока до половины максимального значения.

Рисунок 8. Кривые вероятности токов молнии

Для горных местностей ординаты кривой уменьшаются в 2 раза, так как при малых расстояниях от земли до облаков молния возникает при меньшей плотности зарядов в скоплениях, т.е. вероятность больших токов уменьшается.

Длительность импульса тока молнии в основном определяется временем распространения обратного разряда от земли до облака и в связи с этим изменяется в относительно узких пределах от 20 до 80-100 мкс. Средняя длительность импульса тока молнии близка к 50 мкс.

Заряд, переносимый молнией, колеблется в процессе разряда в пределах от долей кулона до нескольких десятков кулон. Средний заряд, опускаемый в землю многократной молнией, равен 15 - 25 Кл. Учитывая, что в среднем разряд молнии содержит три компоненты, следовательно, во время одной компоненты в землю переносится около 5 - 8 Кл. Из них в канал лидера стекает около 60% всего данного скопления зарядов, что составляет 3 - 5 Кл. Удар молнии в равнинные участки поверхности земли несет заряд 10 - 50 Кл (в среднем 25 Кл), при ударах молнии в горах - заряд 30 - 100 Кл (в среднем 60 Кл), при разрядах в телевизионные башни заряд достигает 160 Кл. При разрядах молнии в землю в подавляющем большинстве (85 - 90%) в землю переносится отрицательный заряд.

Заряд, стекающий в землю во время многократной молнии, изменяется в пределах от долей кулона до 100 Кл и более. Среднее значение этого заряда близко к 20 Кл.

1.2.3 Распространенность

Интенсивность грозовой деятельности в различных климатических районах различается очень сильно. Как правило, количество гроз в течение года минимально в северных районах и постепенно увеличивается к югу, где повышенная влажность воздуха и высокая температура способствуют образованию грозовых облаков. Однако эта тенденция соблюдается не всегда. Существуют очаги грозовой деятельности и в средних широтах (например, в районе Киева), где создаются благоприятные условия для формирования местных гроз.

Интенсивность грозовой деятельности принято характеризовать числом грозовых дней в году или общей годовой продолжительностью гроз в часах. Последняя характеристика более правильна, так как число ударов молнии в землю зависит не от числа гроз, а от их общей продолжительности.

Число грозовых дней или часов в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций, обобщение которых позволяет составить карты грозовой деятельности, на которые наносятся линии равной продолжительности гроз - изокеранические линии. Средняя продолжительность гроз за один грозовой день для территории европейской части России и Украины 1,5-2 ч.

Рисунок 9. Пример карты среднегодовой продолжительности гроз

По имеющимся данным, в районах с числом грозовых часов в году π = 30 на 1 км2 поверхности земли в среднем поражается 1 раз в 2 года, т.е. среднее число разрядов молнии в 1 км2 поверхности земли за 1 грозовой час равно 0,067. Эти данные, позволяющие оценить частоту поражения молнией различных объектов.

1.2.4 Угрозы, порождаемые молниями

Прямое попадание молнии в сооружение приводит к неконтролируемому растеканию заряда по его конструкции, что свою очередь грозит пожаром из-за разогрева материалов и опасного искрения. Риск возгорания сохраняется и в том случае, если разряд происходит рядом с объектом - ток может пойти в здание по электропроводам, а также по проводящим подземным коммуникациям (в том числе по газопроводу).

Отдельного внимания требует отрицательное влияние молнии на электрооборудование. Импульс высокого напряжения способен вывести из строя множество приборов. Крайне опасно попадание молнии в воздушную линию электропередач. Силовые кабели, расположенные на пути растекающегося по грунту заряда, тоже могут стать проводником тока, разрушающего все подключенные к сети устройства. В большинстве случаев грозовой разряд создает мощное электромагнитное излучение, которое порождает в проводниках импульсное перенапряжение - микросекундный скачок напряжения с пиковым значением в несколько киловольт, что приводит к большим убыткам.

К импульсным перенапряжениям наиболее чувствительна электронная аппаратура: компьютеры, офисная техника, аудио-, видеосистемы и т.д. К сожалению, в данном случае оказываются совершенно бесполезными «традиционные» устройства, предохраняющие оборудование от повышенных токов и напряжений (автоматы, стабилизаторы напряжения и т.п.), т. к. они не успевают сработать.

1.2.5 Система прогноза, предупреждения и защиты

Площадь возможного поражения определяется в соответствии с габаритами здания.

Плотность Ng вероятных ударов молний на 1 км2 в год определяется, согласно СО-153-34.21.122 - 2003, по следующей формуле:

Ng = (6,7 x Td)/100,                        (1)

где Td - среднегодовая продолжительность гроз, ч. Значение принимают равным среднему по карте грозовой активности, в интервале между двумя ближайшими кривыми, вдоль которых эта величина постоянна.

Риск поражения постройки молнией (без учета экранирования объекта другими, более высокими сооружениями) равен произведению площади объекта на плотность вероятных ударов молний.

По существующим нормативным документам молниезащитная система для жилых зданий высотой до 60 м предусматривает четыре уровня надежности, от 80% (IV уровень защиты) до 98% (I уровень). Речь в данном случае идет о предельно допустимых вероятностях срабатывания защиты при попадании молнии в объект. Для молниезащиты специальных и опасных объектов система молниезащиты может быть расширена и гарантировать защиту вплоть до 99,9%. Но абсолютно полной гарантии безопасности от молний быть не может.

1.2.5.1 Внешние системы молниезащиты

Внешняя молниезащита предохраняет объект от прямого удара. Она «оттягивает» разряд на себя и препровождает его в землю. В простейшем исполнении внешняя защита от молний выглядит как мачта, расположенная на некотором удалении от дома (и выше его, разумеется). Такие устройства принято называть громоотводами.

В общем случае любая система внешней молниезащиты состоит из трех частей: молниеприемника, токоотводов и заземлителей.

Молниеприемник улавливает молнии, токоотводы служат каналом для доставки разряда к заземлителям, а заземлители рассредоточивают заряд по грунту.

1.2.5.2 Внутренняя система молниезащиты

Даже при наличии внешней молниезащиты в случае прямого или близкого удара молнии часть ее тока попадает внутрь здания по трубам и кабелям. При этом на них образуется опасный потенциал, который чреват искрениями и может привести к пожару или поражению людей. Для борьбы с этой опасностью все протяженные проводящие конструкции подключают к заземлению.

Рисунок 10. Зоны внутренней система молниезащиты

ГРЩ - главный распределительный щит; ГЗШ - главная заземляющая шина; КЭ - конечный электропотребитель; w - электрический счетчик

Более серьезную и сложную проблему представляет безопасность электрооборудования. Поэтому используют установку устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Рисунок 11. Схема установки УЗИП в TN-S сеть 220/380 В

A, B, C - фазы; N - нейтраль; PE - заземление; F - вводный автомат защиты в главном распределительном щите

1.3 Град

1.3.1 Определение

Град - атмосферные осадки в виде частичек льда круглой или неправильной формы (градин) размером 5-55 мм. Град выпадает в теплое время года из мощных кучево-дождевых облаков, сильно развитых вверх, обычно при ливнях и грозах.

1.3.2 Механизм развития

Рисунок 12. Схема образования града

Поднимающийся от земной поверхности в жаркий летний день теплый воздух охлаждается с высотой, а содержащаяся в нем влага конденсируется, образуется облако. Минуя на некоторой высоте нулевую изотерму, мельчайшие капли воды становятся переохлажденными. Переохлажденные капли в облаках встречаются даже при температуре - 40° (высота примерно 8 - 10 км). Но эти капли очень нестабильны. Поднятые с земной поверхности мельчайшие частицы песка, соли, продукты сгорания и даже бактерии при столкновении с переохлажденными каплями нарушают хрупкий баланс. Переохлажденные капли, вступившие в контакт с твердыми ядрами конденсации, превращаются в ледяной зародыш градины.

Мелкие градины существуют в верхней половине почти каждого кучево-дождевого облака, но чаще всего такие градины при падении к земной поверхности тают. Так, если скорость восходящих потоков в кучево-дождевом облаке достигает 40 км/час, то они не в силах удержать зародившиеся градины, поэтому, проходя сквозь теплый слой воздуха между нулевой изотермой (в среднем высота от 2,4 до 3,6 км) и земной поверхностью, они выпадают из облака в виде мелкого «мягкого» града, либо и вовсе в виде дождя. В противном случае восходящие потоки воздуха поднимают мелкие градины до слоев воздуха с температурой от -10 до -40 градусов (высота между 3 и 9 км), диаметр градин начинает расти, достигая порой диаметра нескольких сантиметров. Стоит отметить, что в исключительных случаях скорость восходящих и нисходящих потоков в облаке может достигать 300 км/час! А чем выше скорость восходящих потоков в кучево-дождевом облаке, тем крупнее град. Для образования градины размером с шар для гольфа потребуются более 10 миллиардов переохлажденных капель воды, а сама градина должна оставаться в облаке как минимум 5 - 10 минут, чтобы достичь столь крупного размера. Градины диаметром более 5 см встречаются в суперячейковых кучево-дождевых облаках, в которых наблюдаются очень мощные восходящие воздушные потоки. Именно суперячейковые грозы порождают смерчи (торнадо), сильные ливни и интенсивные шквалы.

Страницы: 1, 2, 3