Какой опасностью не характеризуется грозовой разряд в атмосфере
Перейти к содержимому

Какой опасностью не характеризуется грозовой разряд в атмосфере

  • автор:

Классификация опасностей

Классификация опасностей позволяет для каждого кон­кретного случая подробно описать негативное событие и со­ставить «паспорт» опасности, например:

• транспортный шум имеет техногенное происхождение в виде потока энергии с опасной интенсивностью в зонах города или на транспортных магистралях и представляет ре­альную опасность для людей. Шум — это различимая орга­нами слуха опасность, имеющая главным образом вредное действие на человека и группы людей. На природные и тех­ногенные объекты существенного влияния не оказывает;

• акустическое воздействие взрыва, орудийного выстре­ла или пуска ракеты имеет техногенное происхождение в виде потока энергии чрезвычайно высокой интенсивности и кратковременного (импульсного) воздействия, реализуе­мого в локальных зонах. Оценивая взрыв по влиянию на объект защиты, его следует отнести к различаемым и трав­моопасным воздействиям, способным оказывать воздейст­вия от индивидуального до группового.

Паспорт опасности можно представить и в табличной форме (табл. 1.2-1.4).

Паспорт опасности необходим для правильной оценки ее негативного влияния на людей и окружающую среду, а так же для выбора защитных мер, необходимых для устра­нения или локализации воздействия опасности. Работа по таксономии опасностей ведется давно. Так, в рамках произ­водственной среды существует классификатор националь­ного стандарта ГОСТ 12.0.003-74, в рамках окружающей среды — ГОСТ 14.03-2005.

Паспорт опасности грозового разряда в атмосфере

Паспорт опасности сброса жидких отходов гальванического цеха (участка)

Паспорт опасности лэп

Количественная оценка и нормирование опасностей

Для количественной оценки (квантификации) опаснос­тей жизненных потоков используют критерии допустимого вредного воздействия потоков (веществ, энергии, информа­ции) и критерии допустимой травмоопасности потоков.

Критерии допустимого вредного воздействия пото­ков. В любой точке жизненного пространства с координата­ми х, у, z массовые, энергетические и информационные по­токи могут оказывать воздействие П. В общем виде это воздействие на объект (человек, природа) определяется его интенсивностью I и длительностью экспозиции τ:

П (х, у, z)=f (I, τ)

Интенсивность потока определяется по формулам:

Iв = G/ (F τ) г/(м 2 с);

Iэ = Q/( F τ), Дж/(м 2 с) или Вт/м 2 ;

Iи = И/ τ, бит/с,

где G масса вещества, г; F — площадь поперечного сече­ния потока, м 2 ; Q — количество энергии, в потоке, Дж; И — количество информации в двоичных знаках.

Основное условие допустимости воздействия потоков в зоне пребывания человека имеет вид

ППДП,

где П — реальный показатель потока; ПДП — предельно до­пустимое значение потока.

Потоки энергии и информации воздействуют на объект защиты непосредственно, поэтому их влияние оценивают величинами Iэ и Iи.

При воздействии потоков энергии условие допустимос­ти принимает вид

IiПДУi,

где Ii — интенсивность i-го потока энергии в жизненном пространстве; ПДУi -предельно допустимый уровень ин­тенсивности i-го потока энергии.

Потоки веществ практически всегда воздействуют на че­ловека через изменение концентрации этих веществ в жиз­ненном пространстве. Допустимое количество i-го вещества Gi, которое можно ввести, например, в объем V помещения при условии отсутствия в нем недопустимого загрязнения i-го веществом, определяют по формуле

Gi(ПДКi Cфi)V,

где ПДКi — предельно допустимая концентрация i-го вещества в помещении; Cфi фоновое (начальное) загрязнение помещения i веществом.

Зоны пребывания человека в рабочей и бытовой средах считаются допустимыми, если в них соблюдены норматив­ные требования по параметрам микроклимата, освещению, предельно допустимым концентрациям загрязняющих ве­ществ в атмосферном воздухе и предельно допустимым интенсивностям энергетического облучения.

При химическом загрязнении предельным уровнем явля­ется ПДК вредного вещества. ПДК устанавливают отдельно для рабочей зоны и для населенной местности. Последний норматив всегда меньше ПДК рабочей зоны. Такое разли­чие можно объяснить тремя обстоятельствами: во-первых, в рабочей зоне заняты люди физически и профессионально более подготовленные, чем, например, дети и пожилые люди; во-вторых, вредные факторы обычно формируются в рабо­чей зоне и ослабляются с расстоянием при переходе в окру­жающую среду, поэтому объективно их содержание можно снизить в зонах вне производства; в-третьих, действие фак­торов на людей в рабочей зоне продолжается только в тече­ние рабочей смены, а в окружающей среде — круглосуточно, поэтому суммарные дозы вредного воздействия в окружаю­щей среде также могут быть значительными. Аналогичная схема двойного нормирования применяется и для оценки энергетических воздействий.

Рассмотрим некоторые примеры нормирования допус­тимых воздействий на человека. Для реализации допусти­мых условий деятельности нормативами по параметрам ми­кроклимата установлены значения температуры воздуха в помещении, его влажности и подвижности (табл. 1.5). В случае аномальных климатических условий (например, жары) уместно говорить об ограничении времени пребыва­ния работников на рабочих местах при превышении пре­дельно допустимых температур в рабочий день (смену).

В качестве критериев освещения установлены норматив­ные требования к естественному и искусственному освеще­нию помещений (табл. 1.6).

Применительно к загрязнению компонентов среды оби­тания различными веществами условие допустимости воз­действия имеет вид

Ci ПДКi,

Таблица 1.5

Грозовой разряд

Для возникновения грозового разряда необходимо, чтобы напряженность электрического поля в некоторой области достигла нескольких киловольт на сантиметр. В зависимости от того, где возникает указанная напряженность, различают два вида молнии — нисходящая и восходящая. Если напряженность имеет место внутри облака, то возникает внутриоблачный разряд или разряд на Землю — нисходящая молния. Если напряженность поля сильно искажается у поверхности Земли, например, высокими башнями или антеннами, то возникает молния, развивающаяся от Земли к облаку, — восходящая молния. Световая вспышка молнии длится в среднем 200 мс. Она состоит из нескольких импульсов по 10 мс с интервалами примерно по 40 мс. Каждый импульс начинается с прорастания от облака к Землt лидерного канала.

Светится канал слабо, за исключением головной части. Лидер переносит отрицательный заряд (из отрицательного облака), при этом течет ток порядка 100 А (рис. 1.9). По мере приближения к Земле канал начинает разветвляться, пути ветвей имеют зигзагообразную форму. Когда основной лидер достигает Земли, по его пути с огромной скоростью порядка 0,1—0,3 скорости света распростра-

Схема разряда молнии

Рис. 1.9. Схема разряда молнии:

а — первый лидер идет к земле со скоростью Vy б — волна возвратного удара идет вверх со скоростью v2; в — произошел внутриоблачный пробой от канала возвратного удара на левую часть облака; г — второй лидер движется со скоростью v3 по частично распавшейся плазме искрового канала

няется ярко светящийся канал — обратная волна. Это явление называется возвратным ударом или главной стадией молнии. Ток молнии при этом может достигать максимальной величины порядка 200 кА. Именно с этим током связаны опасные воздействия молнии, вызывающие перенапряжения в линиях электропередач.

От тепловыделения в разрядном канале молнии повышается давление, что служит источником ударной волны. Ударная волна переходит в акустическую, которая воспринимается как гром. При разряде молнии выделяется энергия на уровне

10 9 —Ю 10 Дж, которая соответствует энергии взрыва порядка нескольких тонн взрывчатого вещества.

Молния как источник грозовых перенапряжений

При ударе молнии в линию электропередач на проводах появляются разряды и создается высокое напряжение относительно Земли, под действием которого в обе стороны от места удара вдоль линии распространяются волны перенапряжений. Атмосферные перенапряжения совместно с рабочим напряжением воздействуют на изоляцию оборудования и могут приводить к выходу его из строя. Ток молнии, протекающий через пораженный объект, характеризуется максимальным значением 1т, средней крутизной фронта а

и длительностью импульса ти, равной времени уменьшения тока до половины максимального значения. Интенсивность грозовой деятельности принято характеризовать числом грозовых дней в году или общей продолжительностью гроз в часах. Число грозовых дней или часов в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций. Так, например, установлено, что в районах с числом грозовых дней в году п = 30 1 км 2 поверхности Земли в среднем поражается один раз в два года. Таким образом, среднее число разрядов молнии в 1 км 2 поверхности Земли за один грозовой час равно 0,066. Такого рода данные позволяют оценить частоту поражения молнией различных энергетических объектов.

Удары молнии в наземные объекты часто сопровождаются пожарами и механическими разрушениями. Средства защиты от молнии (молниеотводы, заземлители) должны выдерживать удары молнии самой большой интенсивности. Для этого необходимо определить количество тепла, выделяющегося в проводнике при ударе молнии, и температуру, до которой при этом нагревается проводник:

где /ср — средний ток многократной молнии, кА; gk заряд, переносимый в Землю во время к-го разряда, Кл; R — активное сопротивление проводника, Ом.

Температура t, до которой нагревается проводник, определяется как

где s — сечение проводника, м 2 ; / — длина проводника, м; с — удельная теплоемкость, кДж/(кг °С); у — удельная масса проводника, кг/м 3 .

Молниезащита зданий и сооружений — Характеристики грозовой деятельности и разрядов молнии

Формирование грозовой облачности и, следовательно, грозовая деятельность зависит от климатических условий и рельефа местности. Поэтому грозовая деятельность над различными участками земной поверхности неодинакова. Для расчета грозозащитных мероприятий необходимо знать конкретную величину, характеризующую грозовую деятельность в данной местности. Такой величиной является интенсивность грозовой деятельности, которую принято определять числом грозовых часов или грозовых дней в году, вычисляемым как среднеарифметическое значение за ряд лет наблюдений для определенного места земной поверхности.
Интенсивность грозовой деятельности в данном районе земной поверхности определяется также числом ударов молнии в год, приходящихся на 1 км 2 земной поверхности.
Среднее число поражений молнией 1 км 2 земной поверхности в год определяется в зависимости от среднегодовой продолжительности гроз и приведено в табл. 1.
Таблица 1. Среднее число поражений молнией

Среднее число поражений молнией

Карта среднегодовой продолжительности гроз в грозо-часах на территории России

Рис. 1. Карта среднегодовой продолжительности гроз в грозо-часах на территории России, стран ближнего зарубежья и стран Балтии

На рисунке 1 приведена карта среднегодовой продолжительности гроз в грозо-часах на территории России, стран ближнего зарубежья и стран Балтии.
Ожидаемое количество поражений молнией в год зданий и сооружений высотой не более 60 м, не оборудованных молниезащитой, имеющих неизменную высоту (рис. 4а), определяется по формуле

где:
S — ширина защищаемого здания (сооружения), м; L — длина защищаемого здания (сооружения), м; hx — высота здания по его боковым сторонам, м;
п — среднее число поражений молнией 1 км 2 земной поверхности в год в районе строительства здания.
Формула приведена с учетом того, что число поражений молнией здания или сооружения пропорционально площади, занимаемой не только самим зданием или сооружением, но и суммой площадей проекций защитных зон, создаваемых гранями и углами кровли здания или сооружения. Если части здания имеют неодинаковую высоту (рис. 4б), то зона защиты, создаваемая высотной частью, может охватывать всю остальную часть здания. Если зона защиты высотной части не охватывает всего здания, необходимо учесть часть здания, находящуюся вне зоны защиты высотной части.
Зона защиты, создаваемая сооружениями
Рис. 4. Зона защиты, создаваемая сооружениями а — здания с одной высотой; б — здания, имеющие разные высоты.
Рекомендуемая формула позволяет произвести количественную оценку вероятности поражения молнией различных сооружений, расположенных в равнинной местности с достаточно однородными грунтовыми условиями.
Следует отметить, что значение параметра п, входящего в расчетную формулу, может в несколько раз отличаться от значений, приведенных выше. В горных районах большая часть разрядов молнии происходит между облаками, поэтому значение п может оказаться существенно меньше. Районы, где имеются слои почвы высокой проводимости, как показывают наблюдения, избирательно поражаются разрядами молнии, поэтому значение п в этих районах может оказаться существенно выше. Избирательно могут поражаться районы с плохо проводящими грунтами, в которых проложены протяженные металлические коммуникации (кабельные линии, металлические трубопроводы). Избирательно поражаются также возвышающиеся над поверхностью земли металлические предметы (вышки, дымовые трубы).

2.2. Основные параметры тока молнии

форма кривой тока молнии

Ток, протекающий через пораженный молнией объект, быстро изменяется во времени. Примерная форма кривой тока молнии представлена на рис. 5. Часть кривой, на которой ток нарастает, именуется фронтом импульса тока молнии. Часть кривой, на которой ток спадает, именуется спадом импульса тока молнии.
Для равнинных районов наиболее вероятны токи молнии с амплитудой до 6104 А. Вероятность тока молнии (6—20)-104 А невелика, однако при проектировании молниезащиты ответственных объектов следует учитывать возможность появления таких токов. В горных районах амплитуда токов молнии примерно вдвое меньше, чем в равнинных районах.
Существенной характеристикой является крутизна фронта (скорость изменения) тока молнии, от которой зависит как индуктивное падение напряжения на протяженных проводниках (молниеотводах, токоотводах, заземлителях и т.п.), через которые протекает ток, так и э.д.с., обусловленные электромагнитным полем его.

Рис. 5. Примерная форма кривой тока молнии

2.3. Воздействия тока молнии

При разряде молнии в объект ток оказывает тепловые, механические и электромагнитные воздействия.
Тепловые воздействия тока молнии. Протекание тока молнии через сооружения связано с выделением тепла. При этом ток молнии может вызвать нагревание токоотвода до температуры плавления или даже испарения.
Сечение проводников должно быть выбрано с таким расчетом, чтобы была исключена опасность недопустимых перегревов.
Таблица 2.4.1. Рекомендуемые значения токоотводящих проводников

Минимальные сечения проводников, мм 2

Оплавление металла в месте соприкосновения канала молнии может быть значительным, если молния попадает в острый шпиль. При контакте канала молнии с металлической плоскостью происходит оплавление на достаточно большой площади, численно равной в квадратных миллиметрах значению амплитуды тока в килоамперах.
Механические воздействия токов молнии. Механические усилия, возникающие в различных частях здания и сооружениях при прохождении по ним токов молнии, могут быть весьма значительными. Достаточно сказать, что при воздействии токов молнии деревянные конструкции могут быть полностью разрушены, а кирпичные трубы и иные надземные сооружения из камня и кирпича могут иметь значительные повреждения.
При ударе молнии в бетон образуется узкий канал разряда. Значительная энергия, выделяемая в канале разряда, может вызвать разрушение, которое приведет либо к снижению механической прочности бетона, либо к деформации конструкции.
При ударе молнии в железобетон возможно разрушение бетона с деформацией стальной арматуры.

2.4. Вторичные проявления ударов молнии

Под вторичным проявлением удара молнии обычно принято понимать те явления при разрядах молнии, которые сопровождаются появлением электродвижущих сил и разностей потенциалов на различных металлических конструкциях, трубопроводах и проводах (внутри помещений или вблизи них), не подвергшихся непосредственно прямому удару молнии. Вторичные проявления обычно разделяются на электромагнитную и электростатическую индукцию. Ко вторичным проявлениям молнии относится также появление разности потенциалов внутри зданий и сооружений вследствие заноса высоких потенциалов через подземные и наземные металлические коммуникации, трубопроводы, электрические кабели, подземные эстакады, воздушные линии связи и сигнализации, воздушные линии электропередачи, шинопроводы и т.п.).
Электромагнитная индукция. Разряд молнии сопровождается появлением в пространстве изменяющегося во времени магнитного поля. Магнитное поле индуктирует в контурах, образованных из различных протяженных металлических предметов (трубопроводов, электрических проводок и т.п.), электродвижущую силу, величина которой зависит от амплитуды и крутизны фронта тока молнии, размеров и конфигурации контура, в котором наводится э.д.с. В замкнутых контурах индуктированные э.д.с. вызывают появление электрических токов, нагревающих отдельные элементы контуров. Однако в силу их малой величины, токи, индуктированные э.д.с., могут образовываться внутри зданий и сооружений различными способами, например путем соединения в одну систему трубопроводов, металлоконструкций и т.д.
В незамкнутых контурах, в контурах, контакты которых недостаточно надежны в местах соединения или в местах сближения отдельных элементов контура друг с другом, возникающая э.д.с. электромагнитной индукции может вызвать искрение или сильное нагревание.
Электростатическая индукция. Под грозовым облаком в земле и во всех наземных объектах скапливаются электрические заряды, равные по величине и противоположные по знаку зарядам облака и зарядам, внедряемым в будущий канал молнии лидерными процессами.
Поскольку нарастание потенциалов облака происходит достаточно медленно, индуцированные заряды появляются даже на объектах, которые обладают хорошей изоляцией относительно земли (провода воздушных линий, металлические крыши деревянных зданий и т.д.).
Это объясняется тем, что всякая изоляция обладает некоторой утечкой, благодаря которой заряды, одноименные с зарядами облака, успевают стекать в землю. При этом поле зарядов облака и поле зарядов, индуктированных на объекте, обладающем некоторой утечкой, накладываются таким образом, что разность потенциалов между объектами и землей мала. Длительность грозового разряда, в результате которого нейтрализуется большая часть заряда облака и заряда, внедренного лидерными процессами, на несколько порядков меньше длительности формирования грозового облака и развития лидера и молнии. Индуктированные на объекте заряды из-за большого сопротивления утечки не успевают стечь в землю за время длительности разряда молнии. Поэтому между объектом и землей возникает разность потенциалов, обусловленная индуктированными на объекте зарядами, поле которых уже не компенсировано полем зарядов облака.
Разность потенциалов может появиться между металлической кровлей здания и водопроводными и канализационными трубами, электропроводками, находящимися в здании, и другими заземленными предметами.
Чем объект выше, тем больше потенциалы, индуктированные на нем, и тем больше должны быть безопасные расстояния между этим объектом и ближайшим заземленным предметом.
Основной мерой борьбы с появлением внутри здания или сооружения потенциалов, обусловленных электростатической индукцией, является заземление всех проводящих элементов в здании или сооружении.
Занос высоких потенциалов в здания и сооружения. Ко вторичным проявлениям молнии относится появление значительных напряжений внутри зданий или сооружений вследствие передачи высоких потенциалов через воздушные и подземные металлические коммуникации.
Занос высокого напряжения в здания и сооружения по этим коммуникациям может быть не только при наличии металлической связи коммуникаций с защищаемым объектом, но и при отсутствии ее. Например, если протяженные металлические коммуникации расположены в непосредственной близости от молниеотвода, значительное повышение потенциала на молниеотводе, возникающее при прямом ударе молнии, может вызвать перекрытие изоляции по воздуху с молниеотвода на части коммуникаций.
Соединение всех крупных частей здания между собой (выравнивание потенциала) ликвидирует опасность возникновения перекрытий.
Занос высоких потенциалов по внешним коммуникациям во взрывоопасные здания и сооружения недопустим. Для невзрывоопасных зданий и сооружений III категории занос высоких потенциалов представляет опасность для находящихся в них людей, а также в отдельных случаях может вызвать пожар из-за пробоя изоляции электропроводки. Поэтому в зависимости от назначения этих объектов различают меры защиты этих зданий и сооружений.

Защита электростанций и подстанций 3-500 кВ от прямых ударов молнии — Молния — источник грозовых перенапряжений

Грозовые разряды — молнии вызываются электрическими зарядами, которые в больших количествах накапливаются в облаках. Механизм накопления и разделения положительных и отрицательных зарядов в основном объясняется наличием в грозовых облаках восходящих потоков воздуха. В настоящее время существует много теорий, которые, исходя из наличия восходящих потоков воздуха, по-разному в деталях освещают электризацию облаков, но такой теории, которая удовлетворительно объясняла бы это явление, наблюдаемое в природе, пока нет.
Одно из распространенных предположений образования электрических зарядов в облаках исходит из того, что этот физический процесс происходит в постоянном электрическом поле земли, которое обнаружил еще М. В. Ломоносов при проводимых им опытах.
Наша планета всегда имеет отрицательный заряд. Напряженность электрического поля вблизи поверхности земли составляет в среднем 100 В/м (поле «ясной погоды»). Она обусловлена зарядами земли и мало зависит от времени года и суток и почти одинакова для любой точки земной поверхности. Воздух, окружающий Землю, имеет свободные заряды, которые движутся по направлению электрического поля Земли. Каждый кубический сантиметр воздуха вблизи земной поверхности содержит около 600 пар положительно и отрицательно заряженных частиц. С удалением от земной поверхности плотность заряженных частиц в воздухе растет. У земли проводимость воздуха мала, но на расстоянии 80 км от земной поверхности она увеличивается в 3 млрд. раз и достигает проводимости пресной воды.
Таким образом, Землю с окружающей атмосферой по электрическим свойствам можно представить как шаровой конденсатор колоссальных размеров, обкладками которого являются Земля и проводящий слой воздуха, находящийся на расстоянии 80 км от поверхности Земли. Изолирующей прослойкой между этими обкладками служит мало-проводящий электричество слой воздуха толщиной 80 км. Между обкладками такого конденсатора напряжение составляет около 200 кВ, а ток, проходящий под воздействием этого напряжения, равняется 1,4 кА. Мощность конденсатора составляет около 300 МВт. В электрическом поле этого конденсатора в интервале от I до 8 км от поверхности Земли образуются грозовые облака и совершаются грозовые явления.

Рис. 1. Развитие тепловой грозы

По характеру происхождения грозы разделяются на тепловые и фронтальные. Развитие тепловой грозы показано на рис. 1. В результате нагрева солнцем земной поверхности разогреваются нижние слои воздуха. Теплые массы воздуха расширяются и стремятся подняться вверх. На высоте 2 км и более они попадают в область отрицательных температур. Влага, уносимая этими потоками воздуха, конденсируется и образует грозовые облака, которые состоят из мельчайших водяных электрически заряженных капель. Такие облака образуются в жаркое летнее время, преимущественно во второй половине дня, и занимают сравнительно небольшие пространства.

Рис. 2. Развитие грозы холодного фронта

Фронтальные грозы образуются в тех случаях, когда два потока воздуха с разной температурой движутся навстречу друг другу и соприкасаются своими фронтовыми частями. При этом поток воздуха, имеющий более низкую температуру, стремится опуститься вниз и занимает пространство в непосредственной близости от поверхности земли, а теплые массы воздуха устремляются вверх и образуют завихрения (рис. 2). Достигнув высоты с более низкими температурами, унесенная с поверхности земли влага конденсируется и образует грозовые облака.
Фронтальные грозы охватывают широкие площади земной поверхности и движутся со скоростью от 5—6 до 100— 150 км/ч и более. Такие грозы могут возникать в любое время суток. Сконденсировавшаяся влага на высотах с более низкими температурами образует капли разных размеров. Находясь в электрическом поле «конденсатора», капли поляризуются (рис. 3,а): нижние части их имеют положительный заряд, а верхние — отрицательный. Мелкие капли восходящими потоками воздуха уносятся вверх, а крупные, более тяжелые капли падают вниз. При движении вверх поляризованные капли верхней отрицательно заряженной частью встречают на своем пути отрицательные и положительные свободные заряды; первые из них отталкиваются, как имеющие одноименный заряд, а вторые— притягиваются, и капли постепенно становятся положительно заряженными. Те капли, которые движутся вниз, наоборот, притягивают отрицательные заряды и становятся отрицательно заряженными.

Схема разделения зарядов в облаках

Рис. 3. Схема разделения зарядов в облаках:
а — поляризация дождевых капель; б — электрическое поле облака с разделенными зарядами

Таким образом, происходит разделение зарядов в облаке: в верхних слоях его скапливаются положительные заряды, а в нижних — отрицательные. Так как облако является изолятором, то заряды на некоторое время остаются на своих местах и не нейтрализуются. Электрическое поле облака как более сильное при наложении на поле «ясной погоды» изменяет направление последнего в районе своего расположения (рис. 3,6).
Заряды в облаке распределяются неравномерно: в некоторых точках их плотность достигает большого значения, в других, наоборот, она незначительна. Там, где создалось скопление зарядов и образовалось электрическое поле с напряженностью, равной критическому значению (25— 30 кВ/см в зависимости от высоты облака), создаются условия для развития молнии. Разряд молнии в основных чертах подобен длинной искре, возникающей в воздухе между проводящими электродами.

Ионизация воздуха.

Воздух, как и другие вещества, состоит из атомов, объединенных в молекулы. Каждый атом представляет собой положительно заряженное ядро (протоны), вокруг которого вращаются на некоторых «разрешенных» орбитах электроны, имеющие отрицательный заряд, количественно равный положительному заряду ядра. Отрыв электронов от атомов или молекул называется ионизацией. В результате ионизации появляются две частицы: ядро с оставшимися электронами, представляющее собой положительно заряженный ион, и отделившийся отрицательно заряженный электрон. Для осуществления акта ионизации требуется затрата определенного количества энергии, которая называется энергией ионизации. Если к воздушному промежутку, образованному двумя проводящими электродами, приложить напряжение, то имеющиеся свободные в этом промежутке ионы и электроны под воздействием напряженности поля начнут двигаться в направлении поля. Масса электрона на 4—5 порядков меньше массы ядра. Поэтому свободный электрон, движущийся в электрическом поле воздушного промежутка, имеет большую скорость, чем ядро. При столкновении с молекулами воздуха электрон способен отрывать от них новые электроны, т. е. производить ионизацию. Такой процесс ионизации при столкновении электрона с атомами или молекулами называется ударной ионизацией (рис. 4).

Схема ударной ионизации электроном

Рис. 4. Схема ударной ионизации электроном

Схема ионизации возбужденной молекулы

Рис. 5. Схема ионизации возбужденной молекулы:
а — электрон в результате соударения возбуждает молекулу: б — при возвращении электрона но устойчивую орбиту излучается фотон, ионизирующий другую возбужденную молекулу

Но не при всяком столкновении движущийся электрон отрывает другой электрон от молекулы. Столкновение может вызвать переход электрона молекулы на более удаленную от ядра неустойчивую орбиту. При этом удаленный электрон получает дополнительную энергию от движущегося электрона. Этот процесс называется возбуждением молекулы. Возбужденная молекула «живет» в течение примерно 10

10 с, после чего происходит обратный переход электрона на устойчивую орбиту. При возвращении электрона на устойчивую орбиту возбужденная молекула излучает ранее полученную энергию в виде фотона, который при определенных условиях способен вызвать ионизацию или возбуждение других молекул. Этот процесс носит название фотоионизации (рис. 5). Фотоионизацию могут вызвать фотоны, излучаемые молекулами, участвующими в газовом разряде, космические лучи, излучение радиоактивного распада и световые волны в ультрафиолетовой части спектра (рис. 6).

Схема ионизации фотоном

Рис. 6. Схема ионизации фотоном
Кроме того, ионизация молекул воздуха может наступить при высоких температурах. С повышением температуры усиливается хаотическое (тепловое) движение молекул и свободных электронов. В этом случае в результате столкновения молекул с электронами может иметь место ионизация, которая получила название термоионизации.
Процесс, обратный ионизации, когда заряды частиц взаимно компенсируются, называется рекомбинацией (нейтрализация зарядов частиц). При рекомбинации излучаются фотоны.

Лавины электронов. Образование стримеров.

Если в воздушном промежутке между плоскими электродами напряженность электрического поля достигает критического значения, при котором возможна эффективная ударная ионизация, то Движущийся электрон ионизирует молекулу, что приводит к образованию положительного иона и двух
электронов. Эти электроны, разгоняясь в электрическом поле, ионизируют каждый по молекуле. В результате образуется три положительных иона и четыре электрона. Продолжаясь, процесс ионизации приводит к образованию лавины электронов и ионов (рис. 7). Образовавшиеся положительные ионы перемещаются к отрицательному электроду, а электроны — к положительному.

Схема образования лавины электронов

Рис. 7. Схема образования лавины электронов (а) и распределение в ней заряженных частиц (б)

Так как подвижность электронов много больше подвижности ионов, то ионы при рассмотрении этого процесса можно считать неподвижными.
После того, как электроны уйдут на анод, оставшийся объемный положительный заряд вблизи анода сильно искажает электрическое поле и повышает напряженность. За счет излучения фотонов в области сильного поля у анода возникает ионизация воздуха и образуются вторичные электроны (рис. 8,а), которые дают начало новым вторичным лавинам (рис. 8,6). Возникшие вторичные лавины направляются к области положительного заряда у анода. Электроны вторичных лавин проникают внутрь положительного объемного заряда и образуют узкий нитевидный канал, заполненный проводящей плазмой*. Такой канал получил название стримера. Так как канал стримера проводящий, то он как бы удлиняет анод. Напряженность поля на головке стримера возрастает, что способствует образованию новых электронных лавин (рис. 8,е, г), развивающихся по направлению к головке стримера. Электроны новой лавины, смешиваясь с положительными ионами вблизи головки стримера, снова образуют плазму, и канал стримера удлиняется. После того как стример перекроет весь промежуток, разряд переходит в искровую стадию (рис. 8,(3), которая характеризуется интенсивной термической ионизацией и значительным повышением проводимости плазменного канала.

*Плазма наряду с твердым, жидким и газообразным состоянием материи является четвертым состоянием и представляет собой газ, который состоит из равного количества ионов и электронов ионизированных молекул.

Возникновение и развитие анодного стримера в малом промежутке с равномерным полем

Рис. 8. Возникновение и развитие анодного стримера в малом промежутке с равномерным полем:
а — начальная лавина пересекла промежуток: электроны лавины поглощены анодом; головка лавины интенсивно испускает фотоны; б— фотоионизация вызвала вторичные лавины; электроны вторичных лавин проникают внутрь первичной лавины; началось образование плазменного канала — стримера; в, г — на конце плазменного канала (со стороны катода) резко увеличивается напряженность поля, что приводит к интенсивной фотоионизации и возникновению новых лавин; плазменный канал быстро прорастает к катоду (положительный стример); д — стример достиг катода; разряд переходит в искровую стадию

Так развивается разряд в малых промежутках с однородным электрическим полем в однолавинной форме с переходом в стримерную.
По форме электрические поля делятся на однородные, слабонеоднородные и резконеоднородные. Однородным полем называется такое поле, в котором вдоль силовых линий напряженность поля постоянна. Примером такого поля может служить поле в средней части плоского конденсатора.
Если напряженность поля вдоль силовых линий изменяется ориентировочно не более чем в 2—3 раза, такое поле считается слабонеоднородным. Примером слабонеоднородного поля является поле между двумя шарами шарового разрядника или поле между жилой и оболочкой кабеля. Резконеоднородным полем называется поле, в котором напряженность изменяется вдоль силовых линий на несколько порядков. В электроустановках в большинстве случаев электрические поля являются резконеоднородными.
В промежутках с резконеоднородным полем, где ионизационные процессы не охватывают всего промежутка, концентрируясь в узкой зоне вблизи одного или обоих электродов, разряд не переходит в искровую стадию при достижении у электродов критического значения напряженности.

Разряд в такой форме получил название коронного разряда или просто короны. Только дальнейшее повышение напряжения на промежутке приводит к возникновению стримеров и переходу в стадию искрового разряда. В промежутках длиной в десятки сантиметров искровой разряд в воздухе происходит при средних напряженностях поля порядка 10 кВ/см.

Лидерная стадия разряда.

В воздушных промежутках длиной в несколько метров или десятков метров проводимость образовавшихся стримеров для развития разряда оказывается недостаточной и по следу одного из стримеров возникает разряд в новой так называемой лидерной форме. Термически ионизированная часть канала стримера называется лидером. Плотность заряженных частиц в канале лидера значительно выше, чем у стримера. Поэтому потенциал головки возрастает и создаются условия для лучшего продвижения стримера и преобразования этого стримера в лидер.

распространение отрицательного лидера в воздухе

Рис. 9. Схематическое изображение распространения отрицательного лидера в воздухе:
АВ — первая лавина; СД — стример
На рис. 9 показана схема образования отрицательного лидера. Поток электронов движется от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду).
Лавины электронов показаны в виде заштрихованных конусов, а пути вылетевших фотонов — волнистыми линиями.
Внутри движущейся лавины (заштрихованные конусы) воздух ионизируется ударами электронов. Вылетевшие фотоны также ионизируют воздух (в конце волнистой линии). Электроны, получившиеся в результате ионизации молекул воздуха фотонами, дают начало новым лавинам, далеко отстоящим впереди от первой лавины, которые, развиваясь, сливаются в сплошной канал. При этом фотоны имеют скорость 3-10 10 см/с, а скорость продвижения электронов на фронте лавины достигает примерно 1,5-10 7 см/с. Стример развивается быстрее, чем продвигаются лавины электронов. Из рис. 9 видно, что за время, пока первая лавина пройдет путь АВ, в результате фотоионизации образуется канал стримера с повышенной электропроводностью на длине СД. Средняя скорость развития стримера в сторону анода равна примерно 10 8 —10 9 см/с. При высокой концентрации электронов, т. с. при достаточно большом токе, возникает интенсивная термоионизация в канале стримера. В результате происходит преобразование канала стримера в хорошо проводящий плазменный канал — лидер.
По мере продвижения лидера в глубь промежутка на конце лидера появляются новые стримеры, которые затем также превращаются в лидер. Постепенное продвижение отрицательного лидера в длинном промежутке с неравномерным полем показано на рис. 10.
По каналу стримера ТК распространяется лидер 777 (рис. 10,а). Как только завершается преобразование канала стримера ТК в лидер, начинается образование новых лавин. Электроны из этих лавин уходят в глубь промежутка (рис. 10,6) и возникает новый стример КЛ (рис. 10,в). Траектория стримеров носит случайный характер.
При таком механизме развития разряда в длинных воздушных промежутках лидер может перекрывать большие расстояния при весьма небольших средних напряженностях поля — порядка 1—2 кВ/см.
Когда лидер достигает противоположного электрода, заканчивается лидерная стадия разряда и начинается стадия главного (обратного) разряда.
В процессе образования главного разряда по лидерному каналу от земли распространяется электромагнитная волна, которая снижает потенциал лидера практически до нуля. Между электродами образуется канал, обладающий очень высокой проводимостью, через который проходит ток разряда.

Развитие грозового разряда.

Разряд молнии аналогичен в основных чертах разряду в длинных промежутках.
Условия для развития молнии создаются в том месте облака, где образовались скопления зарядов и электрическое поле с напряженностью, равной критическому значению. В этом месте начинается процесс ударной ионизации, создаются лавины электронов, под воздействием фотоионизации и термоионизации образуются стримеры, которые преобразуются в лидеры.

Рис. 10. Схема образования отрицательного лидера

Рис. 11. Линейная молния, развернутая во времени:
а — оптическая картина; б — токовая картина; /л — ток лидера; /г р—ток главного разряда; /_ — ток после свечения

Молния может иметь длину от нескольких сотен метров до нескольких километров (в среднем 5 км). Лидерная форма развития молнии позволяет ей перекрывать такие расстояния.
Глазу человека молния представляется в виде сплошной непрерывной линии — узкой яркой полосы или нескольких полос белого, светло-голубого или ярко-розового цвета. В действительности разряд молнии состоит из нескольких отдельных импульсов.
Каждый импульс имеет две стадии: начальную, которая называется лидерной, и главный разряд.
Если импульсы развернуть во времени, как это показано на рис. 11, то видно, что разряд лидерной стадии первого импульса развивается ступенями. Средняя линия ступени составляет примерно 50 м, а пауза между отдельными ступенями — 30—90 мкс. Средняя скорость продвижения лидера составляет 107—108 см/с. Задержки в развитии ступенчатого лидера объясняются по-разному.
Согласно одной гипотезе, задержка происходит из-за того, что для развития лидера должно происходить движение электронов вниз по каналу ведущего стримера, чтобы обеспечить возникновение необходимого градиента потенциала, а на это требуется некоторое время. Это время и является паузой между отдельными ступенями. Второй и последующие импульсы имеют стреловидную форму лидерной стадии, а не ступенчатую. Так как они развиваются по ионизированному каналу, то необходимость в ступенчатом лидере отпадает. При достижении земли лидером первого импульса образуется хорошо проводящий ионизированный канал. Заряд с конца лидера быстро стекает в землю. Этот момент является началом второй стадии грозового разряда, который называется главным (обратным) разрядом. Главный разряд распространяется в виде сплошной светящейся линии от земли к облаку (линейная молния). Как только главный разряд достигает облака, свечение канала ослабевает. Фаза слабого свечения называется послесвечением.
Повторных импульсов в одном разряде молнии может быть до 20 и более, продолжительность одного разряда молнии достигает 1,33 с. Примерно в 40% случаев разряд молнии имеет многократный характер, в среднем с тремя-четырьмя импульсами в одном разряде.
Происхождение повторных импульсов объясняется постепенным притоком зарядов в облаке к каналу молнии.

Избирательность грозового разряда.

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. 12,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. 12,6).
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.

Направление, выбранное для развития грозового разряда

Рис. 12. Направление, выбранное для развития грозового разряда:
а — лидер на большой высоте; б — лидер на малой высоте

Постепенное продвижение лидера молнии по нанравлению к земле и главного разряда от земли к облаку в случае ровной поверхности земли показано на рис. 13.
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, как показано на рис. 14. В этом случае главный разряд начинается от точки соприкосновения лидеров и распространяется как вверх, так и вниз.
Из процесса развития грозового разряда 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. 15).

удар молнии в металлическую опору

Рис. 14. Развитие лидера молнии (три верхних рисунка) и ее главного разряда (три нижних рисунка) при ударе молнии в металлическую опору

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.
Таким образом 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 25—30 % опор и только на определенных участках трассы.

Рис. 15. К явлению избирательной поражаемости молнии:
а — грунт с хорошей проводимостью; б — грунт с плохой проводимостью

Электрическое поле между облаком и землей

Рис. 16. Электрическое поле между облаком и землей: а — до разряда молнии; б — при разряде молнии

Теория избирательной поражаемости поверхности земли была проверена в Энергетическом институте АН СССР в связи с разработкой грозозащиты нефтяных озер. При этом было установлено, что поражение молнией нефтяных озер маловероятно. Редкое поражение нефтяных озер объясняется малой проводимостью нефти. На рис. 16 показано электрическое поле между облаком и землей, содержащей включения нефти до разряда молнии и при разряде молнии. При медленном изменении электрического поля облака (до разряда) проводимость нефти обеспечивает подтекание необходимого количества зарядов в связи с изменением поля облака. В момент разряда происходит быстрое изменение поля, и перераспределение зарядов не успевает произойти из-за низкой проводимости нефти. Заряды сосредоточиваются на «берегах» нефтяных озер, что приводит к усилению электрического поля между облаком и «берегами» нефтяного озера, как показано на рис. 16,6, и разряд происходит не в поверхность озера, а в его «берега». Это подтверждает теорию избирательности ударов молнии, которая утверждает, что при прочих равных условиях разряды молнии всегда поражают места с повышенной проводимостью почвы.

Параметры молнии.

Основными параметрами, характеризующими ток молнии, являются максимальное значение импульса тока, крутизна фронта тока молнии, длительность фронта импульса и длительность полного импульса, которая равна времени уменьшения тока до половины максимального значения. Длительность импульса тока молнии в основном определяется временем распространения обратного разряда от земли до облака и составляет от 20 до 80—100 мкс. Наиболее часто встречающиеся в разрядах молнии длительности фронта импульса тока составляют 1,5—10 мкс. Средняя длительность импульса тока молнии близка к 50 мкс, что и определило выбор стандартного полного грозового импульса напряжения, применяемого для испытания электрической прочности изоляции оборудования, который возникает на изоляции при ударе молнии и который она должна выдерживать без повреждения.

Форма стандартного грозового импульса напряжения

Рис. 17. Форма стандартного грозового импульса напряжения

Для проведения испытаний изоляции грозовыми импульсами напряжения в одинаковых условиях по международным нормам и ГОСТ 1516.2-76 принят стандартный грозовой импульс напряжения, показанный на рис. 17, у которого для удобства обработки лабораторных осциллограмм действительный фронт заменяется эквивалентным косоугольным.
Для этого на фронте импульса на уровне 0,3 и 0,9 Umax отмечаются точки, через которые проводится прямая линия. Пересечение этой прямой с осью абсцисс и с горизонтальной прямой, проведенной на уровне Umnx, определяет длительность фронта импульса Тф. Длительность импульса ти определяется, как показано на рис. 17.
Условно параметры стандартного полного грозового импульса напряжения обозначаются 1,2/50, это значит, что фронт импульса Тф=1,2 мкс, а длительность импульса ти= = 50 мкс. Длительности фронта и импульса измеряются в микросекундах 11мкс— 10-6 с).
Скорость нарастания тока на фронте импульса называется крутизной фронта и измеряется числом ампер в одну микросекунду.
В табл. 1 приводятся некоторые параметры разрядов молнии для равнинной местности.
В горных местностях амплитудные значения токов молнии снижаются примерно в 2 раза по сравнению с амплитудными значениями в равнинных местностях. Это объясняется уменьшением расстояния от земли до облаков. При меньших расстояниях молнии возникают при меньших скоплениях зарядов на облаках, что ведет к снижению амплитудных значений токов молнии.
Как видно из табл. 1, токи молнии, протекающие по опорам линий электропередачи при их поражении, достигают колоссальных величин — свыше 200 кА.
Таблица 1

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *