4. Грозовые перенапряжения и защита от них

4.1. Молния как источник грозовых перенапряжений

Возникновению молнии предшествует процесс электризации облаков. Существуют разные теории этого процесса. Непременным условием электризации облаков является образование восходящего потока теплого воздуха, насыщенного водяными парами. По одной из теорий электризация капелек воды восходящего потока происходит за счет неравномерного их замерзания в зоне низких температур верхних слоев атмосферы. По другой теории – за счет сталкивания их с каплями дождя или града, движущимися навстречу с большой скоростью. Как бы то ни было, но в итоге нижние облака накапливают отрицательные заряды, а верхние – положительные. Граница зоны разделения заряженных противоположно облаков служит изотерма с температурой воздуха .

Грозовое облако и земля образуют конденсатор гигантских размеров. Средняя напряженность поля этого конденсатора невысока, около 1 кВ/см. Однако на отдельных выступах облака она может достигать 10 кВ/см, при которой возникает ударная ионизация воздуха в зоне низкого давления.

Разряд молнии начинается с прорастания лидера, движущегося к земле со скоростью около 150 км/с. По мере продвижения лидера в земле под действием созданного им поля скапливаются заряды противоположного знака. Обычно в облаке отрицательные заряды, в земле, а точнее на возвышенных объектах, – положительные. После того, как лидер достигнет земли, начинается главный или обратный разряд, то есть молния. Обратный разряд преодолевает расстояние в несколько километров за время 30-70 мкс, что и определило среднюю длительность стандартного испытательного импульса напряжения.

Основными количественными характеристиками молнии являются значение тока молнии, протекающего через пораженный объект, и крутизна его фронта. Вероятность возникновения того или иного значения тока молнии определяется по формуле:

, (4.1)

где – значение ток молнии, кА.

За расчетное значение тока молнии принято считать 100 кА. Вероятность его появления по (4.1) равна 0,02.

Интенсивность грозовой деятельности характеризуется средним числом грозовых часов в году (Т) над данной местностью. Например, в Сибири , а в районе г. Сочи более 100 грозовых часов в году. При один квадратный километр поверхности земли в среднем поражается молнией 6,7 раза, то есть на один грозовой час приходится 0,067 ударов.

4.2. Защита от прямых ударов молнии

Основным средством защиты являются молниеотводы, которые делятся на стержневые для защиты сосредоточенных объектов и тросовые для защиты линий электропередач. Молниеотвод собирает на себя удары молнии, лидер которых появился в радиусе от молниеотвода, равном 3,5 его высоты. Пространство вокруг молниеотвода, удары молнии в которое маловероятно, называется зоной защиты молниеотвода. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода рассчитывается по формуле:

, (4.2)

где h – высота молниеотвода; – высота защищаемого объекта; – максимальное допустимое расстояние от молниеотвода до защищаемого объекта; p – коэффициент, равный 1 при и при .

Два молниеотвода, расположенные на расстоянии друг от друга на более , называются спаренными молниеотводами. У них зона защиты в два раза больше, чем простая сумма двух одиночных молниеотводов. При числе молниеотводов больше двух они должны быть расположены по окружности с диаметром: .

Зона защиты тросового молниеотвода характеризуется защитным углом . Это угол между вертикалью и прямой линией, соединяющей трос и крайний на опоре провод линии (см. рис. 4.1). Допустимый защитный угол линий находится в пределах .

Наличие молниеотвода не обеспечивает 100 %-ную защиту от прямых ударов молнии. Всегда существует вероятность прорыва молнии в зону защиты молниеотвода.