Раздел 2. Воздействие грозовых перенапряжений на изоляцию воздушных линий и электрооборудование открытых распределительных устройств

2.1. Молния. Развитие грозового разряда

Молния представляет собой электрический разряд между облаком и землей или между облаками. Процесс электризации облаков выглядит следующим образом. Капли воды, достигшие области отрицательных темпера­тур, замерзают. Замерзание начинается с поверхности кап­ли, которая покрывается корочкой льда. Имеющиеся в воде положительные ионы под действием разности температур перемещаются к поверхностному слою капли и заряжают его положительно, в то время как жидкой сердцевине капли сообщается при этом избыточный отри­цательный заряд. Когда замерзает сердцевина капли, то вследствие ее расширения ранее замерзший поверхност­ный слой лопается и его положительно заряженные осколки уносятся потоком воздуха в верхние части облака. Таким образом, нижняя часть грозового облака оказывается за­ряженной отрицательно, а вершина — положительно.

По мере концентрации в нижней части облака отрица­тельных зарядов увеличивается напряженность электрического поля, и когда она достигает критического значения (20—24 кВ/см), происходит ионизация воздуха и в сторону земли начинает развиваться разряд.

На начальной стадии, называемой лидерной, молния представляет собой относительно медленно (со скоростью в среднем 1,5·10⁵ м/с) развивающийся слабо светящийся канал (лидер). Заряды облака и лидера индуктируют на поверхности земли и на расположенных на ней объектах заряды другого знака. По мере приближения лидера к земле индуктированный заряд и напряженность электрического поля на вершинах возвышающихся над по­верхностью земли объектов возрастают, и с них могут на­чать развиваться встречные лидеры, имеющие заряды, по знаку обратные заряду лидера. Ток в лидерной стадии мол­нии имеет порядок десятков и сотен ампер.

Когда канал развивающегося от облака лидера прибли­жается к земле или к одному из встречных лидеров, то между ними на расстоянии 25—100 м возникает высокая напряженность электрического поля, среднее значение ко­торой 10 кВ/см. Этот промежуток пробива­ется за несколько микросекунд, и в нем выделяется энергия порядка 0,5—5 МДж, которая расходуется на нагрев и тер­моионизацию. Проводимость этой части канала резко воз­растает, и зона повышенной напряженности перемещается по направлению к облаку. Этот процесс, назы­ваемый главным разрядом, сопровождается сильным све­чением канала разряда. Ток в канале за 5—10 мкс дости­гает десятков и даже сотен килоампер, а затем за время 25—200 мкс спадает до половины амплитудного значения. В течение этого очень короткого времени канал разряда разогревается до температуры 20—30 тыс. °С.

При нагревании канал разряда быстро расширяется, что вызывает распространение в окружающем воздухе ударной волны, имеющей на своем фронте высокое давление и вос­принимаемой как гром. Во время главного разряда проис­ходит нейтрализация зарядов лидера. Нарастание тока главного разряда (фронт импульса тока) соответствует нейтрализации зарядов в лидерном канале, а спад тока — нейтрализации зарядов в зоне ионизации лидера.

В завершающей (финальной) стадии молнии по каналу в течение десятков миллисекунд проходит ток порядка де­сятков и сотен ампер. В это время нейтрализуются заряды облака. Часто на ток финальной стадии накладываются им­пульсы тока повторных разрядов, во время которых разря­жаются на землю скопления зарядов, расположенные в разных местах по высоте грозового облака. Яркие вспышки кана­ла при повторных разрядах воспринимаются как мерцание молнии.

В большинстве случаев молния состоит из двух-трех от­дельных разрядов, однако наблюдались молнии и с несколь­кими десятками компонентов. Такая многокомпонентная молния может длиться до 1 с. Чаще всего длительность уда­ра молнии не превышает 0,1 с.