Характеристики грозовой деятельности и параметры молний

Для прогноза атмосферных перенапряжений и обоснованного выбора средств защиты необходимо иметь информацию по двум направлениям:

- о возможном количестве разрядов молнии в защищаемое оборудование или вблизи него;

- о токах в разряде молнии.

Первый вопрос решается путем анализа многолетних метеорологических наблюдений и использованием средних характеристик грозовой деятельности. Второй вопрос более сложен из-за сложности прямых измерений токов в разряде молнии, однако многочисленные исследования в этом направлении позволили получить приемлемые статистические данные по параметрам разрядов молнии.

Молния представляет собой электрический разряд между объемным зарядом в облаке и землей (наземные разряды) или между двумя заряженными областями (межоблачные и внутриоблачные разряды). Молнии предшествует процесс разделения и накопления электрических зарядов в облаках, происходящий из-за мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров. Восходящие потоки возникают в результате нагрева приземных слоев воздуха, который становится легче более холодных слоев. В восходящем потоке воздух охлаждается, и на определенной высоте его температура достигает значения, при котором образуется насыщенный водяной пар. Конденсация сопровождается выделением тепла, что стимулирует дальнейшее продвижение воздушного потока вверх до высоты примерно 6 - 8 км с образованием мощного кучевого облака.

Различают три характерные стадии развития грозового облака:

- зарождение с разрастанием облака (10 - 15 мин);

- зрелая стадия с интенсивными осадками, сопровождаемыми холодными нисходящими потоками и резкими порывами ветра (15 - 30 мин);

- распад облака при прекращении восходящих и нисходящих потоков воздуха и постепенном выпадении осадков (около 30 мин).

В целом грозовая деятельность определяется процессами в ряде отдельных грозовых ячеек. При прохождении холодного атмосферного фронта с резким понижением температуры воздуха такие процессы могут длиться до нескольких часов.

Первоначальным пусковым механизмом электризации грозового облака считается наличие в атмосфере электрического поля хорошей погоды из-за заряженности конденсатора земля - ионосфера (рис.5.1) с напряженностью около 100 В/м.

Рисунок 5.1. - Электрическое поле в атмосфере при хорошей погоде

Капельки воды в облаке в электрическом поле атмосферы становятся электрическими диполями, у которых положительный заряд находится внизу. Перемещающиеся вниз капельки отталкивают положительные ионы и захватывают отрицательные, приобретая избыточный отрицательный заряд; аналогично движущиеся вверх капельки становятся положительными. Движущиеся вверх капельки замерзают при температуре существенно ниже 0^оС (при резком переохлаждении замерзание происходит при температуре около -18^оС). Капелька при резком замерзании лопается, распадаясь на мелкие льдинки, которые уносят положительный заряд на высоту 10 - 12 км. В итоге грозовое облако представляет собой диполь с зарядом в среднем 25 Кл. Центр отрицательного заряда расположен на высоте около 5 км над землей (рис. 5.2), и большая часть наземных молний (около 90%) переносит на землю отрицательный заряд, подзаряжая конденсатор земля - ионосфера. В средних широтах Земли разряды на землю составляют 30..40% всех молний, остальные разряды - межоблачные и внутриоблачные.

Рисунок 5.2 - Образование заряженных областей в грозовом облаке

Перед разрядом молнии потенциал центральной части отрицательного заряда составляет 50..100 МВ и средняя напряженность поля под облаком невелика, всего 100..200 В/см, однако вблизи центра заряда напряженность поля достигает 20..24 кВ/см, что достаточно для начала ионизации. Развитие наземного разряда молнии, как правило, начинается от облака, ответвления канала при этом направлены вниз. Восходящие молнии наблюдаются только на очень высоких объектах или в горной местности.

Разряд молнии состоит из нескольких стадий. Вначале от центра отрицательного заряда по направлению к земле начинает скачками-ступенями развиваться канал ионизации - ступенчатый лидер. Средняя скорость продвижения ступенчатого лидера составляет 150..300 км/с. При приближении лидера к земле или к возвышенному объекту от последнего начинает развиваться встречный лидер высотой примерно 10 м или более. При соединении двух лидеров ток резко возрастает до значений в десятки и сотни килоампер, канал ионизации сильно нагревается и зона с большим током со скоростью 0.05 - 0.5 от скорости света распространяется обратно к облаку. Эта стадия называется главным разрядом или обратным ударом. Главный разряд отводит на землю заряд из канала лидера и его чехла за время от 20 до 200 мкс. Время нарастания тока в канале главного разряда составляет 5..10 мкс. Таких главных разрядов в одном ударе молнии несколько, в среднем два или три, а общая длительность удара молнии составляет десятые доли секунды (в среднем 0.3 с). Последующие главные разряды имеют длительность фронта порядка 1 мкс. В промежутках между главными разрядами могут протекать слабо меняющиеся во времени токи величиной в сотни ампер, на которые, тем не менее, приходится основная доля перемещаемого молнией заряда.

Степень опасности удара молнии определяется, прежде всего максимальным значением тока I_м в канале. Величина падения напряжения на индуктивных элементах и величины индуктированных перенапряжений зависят от скорости нарастания тока молнии на фронте волны.

В приближенных расчетах используют усредненные распределения I_м и a без учета их различия в первом и последующем импульсах:

- вероятность того, что амплитуда тока в ударе молнии превысит заданное значение I_м в килоамперах (этот подход практически удобнее, чем обычное определение вероятности как доли всех реализаций при значениях случайной величины, меньших заданной);

- вероятность превышения крутизной тока заданного значения a, кА/мкс.

Между амплитудой и крутизной тока существует слабая положительная связь, однако при расчетах их обычно полагают статистически независимыми случайными величинами. В горных районах при тех же вероятностях величины I_м и a примерно вдвое меньше.