11.2. Характеристика грозовой деятельности
Интенсивность грозовой деятельности характеризуется числом грозовых дней в году (апрель-октябрь), либо числом грозовых часов в году (nд1дня = 1,5 ч).
Территория Российской Федерации по интенсивности грозовой деятельности делится на 7 зон (согласно ПУЭ):
1) менее 5 грозовых дней в году;
2) от 5 до 10 дней с грозой;
З) от 10 до 20 дней с грозой;
4) от 20 до 30 дней с грозой;
5) от 30 до 40 дней с грозой;
6) от 40 до 50 дней с грозой;
7) более 50 дней с грозой.
Число грозовых дней в году является неполной характеристикой грозовой деятельности. Оценивается среднее число поражения 1 км2 земной поверхности. (Для равнинных районов nср на 1 км2 на один грозовой день составляет 0,1).
11.3. Воздействие токов молнии
Грозовой разряд оказывает электромагнитные, тепловые и механические воздействия. С главным разрядом связано электромагнитное поле, которое индуктирует напряжение на проводах ЛЭП и металлоконструкциях вблизи места удара. Величина индуктированного напряжения составляет Uинд ≈ 100…300 кВ. Ток Iм, протекая через заземленный объект с сопротивлением заземления Rз создает падение напряжения ∆U3 = IмRз.
Ввиду увеличения Iм падение напряжения ∆U3 достигает 100…1000 кВ. Падения напряжения ∆U3 вызванного Iм приводит к перенапряжению ПУМ. Индуктированные перенапряжения и перенапряжения ПУМ называются атмосферными перенапряжениями и распространяются на все участки электрически связанной системы. Протекание тока молнии обусловлено выделением тепла в проводнике. Ток молнии Iм вызывает нагревание проводника до температуры плавления или испарения:
,
(3)
где К – коэффициент для меди 300, для алюминия 200;
S – сечение проводника, мм2 ;
tB – длина волны, мкс.
Механические воздействия Iм проявляются в расщеплении деревянных опор, разрушении каменных строений, кирпичных труб.
Механизм расщепления следующий: ток молнии, протекая по волокнам дерева приводит к взрывоопасному испарению влаги, содержащейся в древесине.
Механическое воздействие Iм связано с электростатическими явлениями, возникающими в диэлектрике (дерево, камень).
11.4. Защитное действие молниеотводов
Защитная роль молниеотводов была впервые правильно оценена М. В. Ломоносовым, который указал, что молниеотвод предотвращает поражение защищаемых объектов, принимая на себя разряд молнии. Такое понятие вполне соответствует современной точке зрения. В наше время с установлением физических особенностей развития грозового разряда оказалось возможным найти инженерные основы защиты молниеотводами.
Защитное действие молниеотводов проявляется в лидерной стадии грозового разряда. Траектория лидера молнии, как и вообще длинной искры в воздухе, подчиняется статистическим закономерностям. Из всех вероятных направлений разряда преимущественное направление определяется максимальными напряженностями электрического поля. На больших высотах это направление устанавливается исключительно самим каналом лидера (рис. 4а). Поэтому на большей части пути лидера земные объекты практически не влияют на направление развития разряда. Однако на некоторой высоте H, называемой высотой ориентировки молнии, начинает сказываться искажение поля земными сооружениями. Направление максимальных напряженностей поля, а, следовательно, и развитие заряда устанавливаются по отношению к наиболее возвышающимся объектам – молниеотводам (рис. 4, б). Вероятность разряда в сооружение вблизи молниеотвода резко увеличивается. При некоторой высоте превышения молниеотвода над защищаемыми сооружениями практически ни один разряд не будет поражать эти сооружения. Пространство, защищенное от прямых ударов молнии, называется защитной зоной молниеотвода. Любое сооружение, целиком входящее в защитную зону молниеотвода, защищено от прямых ударов молнии. Зоны защиты молниеотводов определяются на моделях, в которых канал молнии имитируется стержнем, расположенным на высоте ориентировки молнии H. На стержень подается волна ГИН. Стержень располагается в местах, откуда вероятность поражения молнией объекта наибольшая.
Рис. 4. Эквипотенциальные линии поля и направление преимущественного
развития разряда (пунктирная линия) на большой (а) и малой (б) высотах