11. Атмосферные перенапряжения в электрических системах и защита электрических установок от грозовых перенапряжений.

11.1. Общая характеристика развития грозовых разрядов

Имеется много (более 100) теорий по происхождению гроз, но до настоящего времени нет завершенных исследований.

Современная теория (одна из многочисленных) объясняет образование грозовых облаков следующим образом: в атмосфере имеются насыщенные водяные пары. Мощные восходящие воздушные потоки захватывают водяные капли и разбрызгивают их. При разбрызгивании получается мельчайшая водяная пыль. Мелкие частицы заряжаются (–), а тяжелые (+), рис. 1а.

а)

б)

в)

г)

Рис. 1.Электрические заряды в атмосфере:

а) электрические заряды и воздушные потоки в грозовом облаке;

б) процесс разделения зарядов в облаке при положительных температурах;

в) процесс разделения зарядов в облаке при отрицательных температурах;

г) структура грозовой ячейки.

Ветер разносит отрицательно заряженные частицы на значительные расстояния, образуя основной массив грозового облака. Положительно заряженные капли выпадают в виде дождя или образуют в облаке местные скопления (+) зарядов. Началом грозового явления служит электризация облаков в результате механического разделения зарядов противоположного знака (рис. 1б и в).

В верхних слоях тучи (выше изотермы) сосредоточены (+) заряды (рис.1г). В изотерме действует иной механизм разделения зарядов, связанный с электризацией кристалликов льда.

Грозовое облако можно рассматривать как конденсатор (облако – земля), одной из обкладок является поверхность Земли с (+) зарядом.

Среднее значение напряженности (Е_ср) между облаком и Землей составляет 10 кВ/м.

Когда напряженность электрического поля (у облака или у Земли) достигает критического значения (Е_кр 25…30 кВ/см), создаются условия для развития разрядных процессов (токов молнии).

Разряд между облаком и Землей начинается с прорастания от облака к Земле ступенчатого лидера со скоростями 10⁷…10⁸ см/с. Средняя длина ступени 50 м. Пауза между отдельными ступенями (точками) составляет 30…90 мкс.

Скорость прорастания каждой ступени 510⁹ см/c (рис. 2).

Рис. 2. Развитие молнии: а) оптическая картина; б) токовая картина

Когда лидер достигает Земли, начинается фаза главного разряда – разряд молнии.

Главный разряд завершается, когда волна интенсивного свечения достает облака, в последующей стадии заштрихованная область, рис. 2. Яркость канала молнии уменьшается, но послесвечение длится сотые доли секунды. Стадией послесвечения завершается структура одного импульса. Лидер молнии можно представить в виде опускающегося от облака к Земле проводящего канала с большой плотностью отрицательных электрических зарядов, q (кулон/м). Когда лидер достигает Земли, по его каналу распространяется от Земли к облаку разрядная волна, эквивалентная стеканию в Землю (+) зарядов. Разрядная волна создает ток, протекающий в канале молнии и в пораженном объекте. С током молнии связано возникновение волн перенапряжений в электроустановках (ЭУ). Обозначив скорость разрядной волны через V_м (м/с), ток молнии можно выразить соотношением:

I_м=q_мυ_м. (1)

Скорость главного разряда большая, поэтому амплитуда тока молнии достигает 10…100 кА, а длительность I_м ограничена временем пробега разрядной волны по каналу лидера.

Главный разряд приводит к резкому возрастанию проводимости канала молнии. Через этот канал по завершении главного разряда стекают остаточные заряды облака.

Кривая тока молнии, соответствующая оптической картине развития грозового разряда, приведена на рис. 2, б.

Общая продолжительность разряда молнии достигает десятых долей секунды (иногда 1,3 с). Суммарный заряд, переносимый молнией достигает 20…100 Кл. В расчетах грозоупорности ЭУ исходной величиной является ток молний, который можно непосредственно измерить. Для этих целей широко используются регистраторы токов молний. С помощью регистраторов измеряют амплитудное значение токов, а также крутизну фронта тока, молнии. Наиболее распространенные значения тока молнии I_м ≤ 50 кА. Токи свыше I_м  50…100 кА наблюдаются редко. С увеличением высоты местности значение тока молнии I_м снижается (это объясняется влиянием на лидерную стадию разряда молнии).

Другим параметром при учете грозоупорности (ЭУ) является крутизна тока молнии _м (кА/мкс).

В расчетах грозоупорности молния должна быть замещена некоторой эквивалентной схемой. Обычно довольствуются представлением молнии источником тока. Такое замещение основано на том, что именно ток молнии является наиболее изученным ее параметром. Замещение молнии источником тока предполагает, что ток молнии практически не зависит от сопротивления его растеканию в месте поражения. Основанием для этого предположения служит тот косвенный признак, что в полевых измерениях токов молнии не было обнаружено какой-либо статистической зависимости токов молнии от сопротивлений заземлений опор R₃. В последнее время прямыми опытами на моделях показана слабая зависимость амплитуды тока I_м от R₃ в пределах R₃ = 0…25 Ом. С другой стороны, эти опыты показали, что с ростом R₃ до нескольких сотен Ом ток молнии значительно снижается. Сопротивление R₃ может представлять как действительное сопротивление заземления пораженного объекта, так и волновое сопротивление пораженного провода. Зависимость тока I_м от R₃ объясняется влиянием R₃ на протекание главного разряда тока молнии.

Экспериментально установлен факт наличия связи между I_м и сопротивлением R₃, который позволяет ввести схему замещения прямого удара молнии, изображенную на рис. 3. В основе такой схемы лежит следующее представление. Лидер канала молнии, обладающий высокой проводимостью, несет на своей головке высокий потенциал U_o. При поражении заземленного объекта возникает ток I_м, который можно вычислять путем включения U_o на волновое сопротивление канала молнии z_м и сопротивление заземления R₃.

Рис. 3. Схема замещения прямого удара молнии

Величину U₀ следует принять равной I_мz_м, где I_м – ток молнии в хорошо заземленном объекте. Тогда ток молнии через объект R₃ составит:

. (2)

Волновое сопротивление z_м для канала главного разряда при токах порядка 100…200 кА оценивается в 250…100 Ом. Сопротивление заземлителей опор, как правило, меньше 25 Ом. Значения в сотни Ом имеют волновые сопротивления проводов и тросов. На основании (2) можно принять, что при разрядах в провода и тросы (до прихода отраженной волны от заземлителей) ток молнии ограничивается их волновым сопротивлением до половинного значения от тока в хорошо заземленном объекте. Понятно, что при последующем перекрытии на землю ток в канале молнии снова возрастает.