Электрические характеристики молнии

Для устройства молниезащиты необходимо знать основные электрические характеристики молнии: амплитуду Iм и максимальную крутизну тока α, длину фронта  и длину волны тока  (рис. 8).

Амплитуда тока молнииIм – максимальное значение тока в главном разряде. Амплитуда тока колеблется в широком диапазоне: от 50 кА до 200 – 250 кА и более, при расчётах определяется вероятностными методами, а для ответственных зданий и сооружений – принимается равной 200 кА.

τв

Рис.8. Изменение тока молнии ім во времени.

Крутизна фронта тока молнии определяется скоростью нарастания её тока, т.е.

                           ,                                               (7)

Этот параметр молнии обуславливает появление электродвижущих сил и разностей потенциалов на конструкциях, трубопроводах, проводах линий электропередач, в электросетях как внутри зданий, так и в наружных установках, даже не подвергающихся прямому удару молнии – изменяется от 5-10 кА/мкс до 80 кА/мкс. В расчётах крутизна фронта тока молнии принимается равной 60 кА/мкс.

Длина фронта тока молнии  определяется промежутком времени от начала нарастания тока до достижения амплитудного значения и может быть измерена непосредственно по осциллограмме тока молнии или определена из соотношения амплитуды и крутизны фронта тока.

Длина волны тока молнии  условно принимается равной времени от начала нарастания тока до достижения им величины  0,5Iм на спадающей ветви тока. Значения  колеблется от 20 до 100 мкс, а в расчётах принимается равной 50 мкс.

Воздействие молнии может быть двояким. Во–первых, она может поражать здания и сооружения непосредственно и такое поражение называется прямым ударом молнии. Во–вторых, молния может оказывать вторичное воздействие, обусловленное электростатической и электромагнитной индукцией, вследствие чего возможны появления высоких потенциалов в наземных и подземных зданиях и сооружениях, коммуникациях и линиях электропередач.

Прямой удар молнии в незащищённое здание или сооружение, сопровождающийся протеканием через них тока молнии, может привести к значительным разрушениям, авариям,  убыткам и представляет серьёзную опасность для жизни людей. Особенно опасны удары молнии во взрывоопасные здания и установки (газгольдеры, резервуары для хранения нефтепродуктов, сжиженных газов, химических продуктов). Молния может прожигать металлический лист толщиной 4 – 5 мм, арматуру железобетонных конструкций. Ток молнии вызывает резкое повышение температуры в узком канале пробоя, вследствие чего возникает высокое давление в этих зонах, происходит разрушение элементов сооружений, что может оказаться критичным и вызвать взрывы и пожары.

Поражение людей и животных происходит не только при прямом ударе молнии, но и при прикосновении их к элементам зданий или оборудования, в которых протекает ток молнии или на которых появляется высокий потенциал, при воздействии шагового напряжения, появляющегося при растекании тока молнии через заземлитель или через поражённый соседний объект на земле. Поэтому во время грозы не следует укрываться под деревьями и располагаться возле высоких объектов.

Вторичное воздействие молнии сопровождается появлением высоких потенциалов на конструкциях трубопроводов и проводах внутри помещений и сооружений, не подвергающихся непосредственному прямому удару, вследствие электростатической и электромагнитной индукции.

Накопление электрических зарядов в грозовом облаке и частичное их перемещение в канал молнии вызывает скопление зарядов противоположного знака на поверхности земли и наземных объектов. В стадии главного разряда разрушение электрического поля канала происходит настолько быстро, что могут возникнуть значительные по величине разности потенциалов между металлическими конструкциями, на которых за счёт электростатической индукции скопились заряды, и землёй. Возникающие разности потенциалов, даже при ударах молнии на расстоянии 100м от здания, могут достигать десятков киловольт и способны вызвать искры в воздушных промежутках. Несмотря на сравнительно малую энергию таких искр, они могут быть причиной взрывов горючих смесей газов, паров и пыли.

На проводах линий электропередач и связи индуцированные заряды растекаются вдоль линии в виде электромагнитной волны и создают потенциалы по отношению к земле в десятки и сотни киловольт, что может привести к разрушению электрооборудования, питающегося от этих линий.

Кроме того, разряд облака сопровождается появлением в пространстве быстро изменяющегося магнитного поля, индуцирующего (согласно закону электромагнитной индукции) электродвижущую силу в контурах, образованных из различных протяженных металлических предметов (трубопроводы, электрические проводки и т.п.). Если контур замкнут, то эта электродвижущая сила вызывает в нём протекание электрического тока, который, в свою очередь, является причиной нагревания элементов такого контура. В местах соединения (например, во фланцах трубопроводов) электродвижущая сила может вызывать появление искрения.

Величина электродвижущей силы электромагнитной взаимоиндукции зависит от параметров тока молнии, размеров и конфигурации контура, и взаимного расположения канала молнии и самого контура (параллельно или перпендикулярно).

Максимальное значение электродвижущей силы взаимоиндукции Е_м может быть определено:

                                                                           (8)

где  – коэффициент взаимоиндукции между каналом молнии и контуром (здесь а – расстояние от канала молнии до контура, b,c – ширина и длина контура в см)

Исследования [4] показывают, что энергия искр, вызванных электромагнитной индукцией, в 5– 14 раз превышает минимальную энергию, необходимую для воспламенения даже трудновоспламеняемых воздушных взрывоопасных смесей и в раз паровоздушных смесей.