 |
|
Характеристики грозовой деятельности и параметры молний 3 страница
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. 12.3), 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 внутриоблач-
ные.
Передразрядоммолнии потенциал центральной части отрицатель-
ного заряда составляет 50..100 МВ и средняя напряженность поля под об-
лаком невелика, всего 100..200 В/см, однако вблизи центра заряда напря-
женность поля достигает 20..24 кВ/см, что достаточно для начала иониза-
ции. Развитие наземного разряда молнии, как правило, начинается от обла-
ка, ответвления канала при этом направлены вниз. Восходящие молнии на-
блюдаются только на очень высоких объектах или в горной местности.
км
T, C
+ +
+ + +
-30
+ +
+ + +
+ + +
+ +
+ +
+ +
- - - - - - -
-
-
-
- - -
- - - -
+28
Рис. 12.3. Образование заряженных областей в грозовом облаке
Разряд молнии состоит из нескольких стадий. Вначале от центра от-
рицательного 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 не-
сколько, в среднем два или три, а общая длительность удара молнии со-
ставляет 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.
Степеньопасности удара молнии определяется прежде всего мак-
симальным значением тока Iм в канале. Величина падения напряжения на
индуктивных элементах и величины индуктированных перенапряжений за-
висят от скорости нарастания тока молнии
di
a = м на фронте волны. Это
dt
наиболее важные параметры тока; кроме того, интеграл ∫ iм2dt
определяет
нагрев металлических частей, а оплавление металлических частей дугой за-
висит от величины перенесенного заряда. Обнаружено, что амплитуда тока
главного разряда практически не зависит от сопротивления заземления в
месте удара, так что молнию можно считать источником тока.
В приближенных расчетах используют усредненные распределения Iм
и a без учета их различия в первом и последующем импульсах:
•
P(I м)= e
−0.04Iм - вероятность того, что амплитуда тока в ударе молнии
•
превысит заданное значение Iм в килоамперах (этот подход практиче-
ски удобнее, чем обычное определение вероятности как доли всех
реализаций при значениях случайной величины, меньших заданной);
P(a) = e −0.08a - вероятность превышения крутизной тока заданного зна-
чения a, кА/мкс.
Между амплитудой и крутизной тока существует слабая положитель-
ная связь, однако при расчетах их обычно полагают статистически незави-
симыми случайными величинами. В горных районах при тех же вероятно-
стях величины Iм и a примерно вдвое меньше.
Для прогноза количества ударов молнии в защищаемый объект ис-
пользуют метеорологическую характеристику интенсивности грозовой дея-
тельности – число часов с грозой в год в данной местности TГ – и среднее
число ударов молнии в 1 км2поверхности земли за 100 грозочасов, равное
N =
. В Иркутске TГ=30ч; с увеличением географической ши-
6.7
ч км
100 *
роты места TГ уменьшается.
Возвышенные объекты стягивают на себя удары молний с площади
большей, чем их собственная площадь. Число прямых ударов в здания вы-
сотой H или в открытые распределительные устройства с молниеотводами
высотой H в течение года вычисляется с увеличением горизонтальных раз-
меров объекта A и B (в метрах) на 3.5H во все стороны:
N
= NTГ
⋅ −6 ,
ПУМ
( A + 7 H ) (B + 7H ) 10
сомножитель 10-6производит перевод квадратных метров в квадратные ки-
лометры для согласования с размерностью N1.
Для линий электропередачи используют удельный показатель
N *ПУМ,равный числу прямых ударов молнии на 100 км длины за 100 гро-
зочасов. Считается, что линия собирает разряды с расстояния 3hср в обе
стороны:
N *
=
6.71*
* 6 *10 −3 ≈ 4
.
ПУМ
км
100км hср
hср
Средняя высота подвеса провода hср, м, определяется через высоту
подвеса троса или верхнего провода на опоре hоп, м, и стрелу провеса про-
вода f, м, следующим образом:
h
= h −
f
.
ср оп3
Если линия имеет длину l, км, и расположена в местности с числом
грозочасов в год TГ,то ожидаемое число прямых ударов молнии в линию
за год N ПУМ можно оценить по следующей формуле:
N
ПУМ
=
N *
ПУМ
l T
Г
100 100
.
РЕЗЮМЕ
На изоляцию электрооборудования воздействуют перенапряжения,
появляющиеся в результате коммутационных процессов в сети, незаплани-
рованного режима сети или из-за разрядов молнии. Эти перенапряжения
могут привести к повреждению изоляции.
В соответствии с причинами возникновения различают коммутаци-
онные, квазистационарные и атмосферные (грозовые) перенапряжения.
Очень существенную роль в защите от перенапряжений играют за-
земления, поведение которых при грозовых перенапряжениях характери-
зуется величиной импульсного сопротивления.
Источником грозовых перенапряжений служат разряды молнии, ха-
рактеризуемые числом часов с грозой в году, количеством разрядов мол-
нии на 1 км2за 100 грозовых часов и статистическими характеристиками
тока в канале молнии и крутизны тока в канале молнии.
Контрольные вопросы
1. Что называют перенапряжением?
2. Приведите классификацию перенапряжений.
3. Какие существуют средства для защиты от перенапряжений?
4. Дайте определение понятий «сопротивление заземлителя», «им-
пульсное сопротивление заземлителя», «коэффициент импульса».
5. Каковы характеристики грозовой деятельности и разрядов мол-
нии, используемые при разработке защитных мероприятий?
