9.7. Исследование физики молнии и молниезащиты с помощью искусственных заряженных аэрозольных облаков

Исследование инициирования и развития разряда в облаках заряженных капель воды (в электрически активных облаках) и нейтрализации облачного заряда необходимо для более глубокого понимания физики раз­ряда молнии, чтобы ответить па такие воп­росы как:

• где будут происходить разряды внутри грозового облака;

• в какой степени облако будет разря­жено;

• как влияют разрядные процессы в облаке на распространение разряда молнии;

• каковы шансы возникновения пов­торных разрядов и где они могут случиться и т.п.

Остаются открытыми важные вопросы: как присутствие крупных облачных капель или другого аэрозоля будет влиять на раз­витие разрядов внутри облака и как протя­женные объемы облачного заряда эффек­тивно нейтрализуются молнией. Без ответа на эти вопросы невозможно продвинуться в создании общей теории разряда молнии и физики грозы.

В настоящее время нет единого взгляда па роль развития разрядных процессов в заряженных областях грозового облака на разных этапах возникновения и распро­странения молнии. Это связано с тем, что представления о разрядных процессах внутри электрически активных облаков во многом основывались на мало информа­тивных для этой цели наземных измере­ниях электромагнитного излучения раз­ряда, а детали и многие разрядные формы из-за дистанционности в них просто не проявлялись. Еще одна нерешенная про­блема — это моделирование процессов формирования восходящей молнии и пора­жения ею наземных объектов.

С достаточной точностью пока так и не установлены очень важные при инженер­ных приложениях физики молнии и молниезащиты корреляционные зависимости между характеристиками самой главной стадии и между ними и параметрами пред­шествующей лидерной стадии;

• скорости нейтрализации и амплитуды тока главного разряда;

• амплитуды тока главной стадии и заряда предшествующего ему нисходящего лидера;

• амплитуды тока молнии и его макси­мальной крутизны и др.

Знание этих зависимостей даст возмож­ность гораздо точнее прогнозировать случаи ударов молнии в летательный аппарат в полете и в различные стационарные объекты.

Одним из подходов к решению этих проблем является применение искусствен­ных заряженных аэрозольных водных обла­ков с предельной плотностью заряда, спо­собных инициировать электрические раз­ряды (аналоги разрядов молнии) и под­робно исследовать процессы формирования и развития стадий разряда в ситуации, характерной для естественной природной ситуации, в лабораторных условиях.

На кафедре техники и электрофизики высоких напряжений Московского энергети­ческого института (технического универси­тета) создан экспериментальный комплекс, предназначенный для создания в воздушной среде протяженных заряженных аэрозоль­ных образований (искусственных электри­чески активных облаков) с предельной плот­ностью заряда (до 10^-2 —10^-3 Кл/м³), обес­печивающей возникновение протяженных электрических разрядов, моделирующих молнию (рис. 9.63). Электрические потен­циалы создаваемых облаков достигают нескольких мегавольт и создаются сильные электрические поля (с напряженностью, превышающей 10 кВ/см) в протяженных областях (с линейным размером, составляю­щим десятки метров).

Одно из направлений исследований — физическое моделирование влияния гидро­метеоров на условия инициирования и рас­пространения разрядных явлений (мол­нии) в природных электрически активных облаках и вблизи них.

Установлено: если группа модельных гидрометеоров (металлических предметов) с относительно небольшим коэффициентом усиления электрического поля располага­ется недалеко от границ облака или в проме­жутке между облаком и заземленной плос­костью, она может способствовать иниции­рованию разряда и/или его дальнейшему распространению (рис. 9.64).

Рис. 9.63. Искусственное облако заряжен ним) водного аэрозоля и электрические искровые разряды, инициированные с заземленного электрода

Рис. 9.64. Группа изолированных цилиндрических проводящих гидрометров инициирует и «направляет» разряд между искусственным обликом заряженного аэрозоля и землей

Это коррелируется с реальными грозовыми условиями как по напряженности облачных электри­ческих полей, так и по размерам и виду гид­рометеоров. При этом инициирование и раз­витие разряда из облака заряженного аэро­золя проходит в намного более стабильной форме в присутствии групп модельных гид­рометеоров, чем без них

Экспериментальные исследования про­цессов формирования и распространения главной (финальной) стадии разряда из облака показали явно выраженную тенден­цию роста амплитуды тока финальной стадии разряда с возрастанием средней скорости продвижения предшествующего ей лидерного процесса(рис. 9.65).

Одним из направлений при эксперимен­тальном определении вероятности пораже­ния объектов разрядом молнии может являться использование искусственных сильно заряженных аэрозольных водных облаков. Существующие методы создания искусственных заряженных аэрозольных облаков позволяют создавать облака объ­емом до десятков кубических метров и потенциалом в несколько мегавольт. Это открывает новые возможности при экспери­ментальном моделировании процесса пора­жения объекта молнией: во-первых, сущест­венно приближает физическое моделирова­ние процесса поражения молнией наземных объектов к естественной грозовой обста­новке; во-вторых, значительно упрощает экспериментальное моделирование про­цесса поражения молнией наземных объек­тов и дает возможность получать достаточ­ный для анализа статистический материал.

Рис. 9.65. Зависимость амплитуды тока финальной стадии разряда от скорости распространения предшествующего лидера

При исследовании процессов поражения разрядом из искусственного облака моделей сосредоточенных объектов установлено, что возникновение и распространение восходя­щего встречного лидерного разряда с вер­шины модели молниеотвода в большинстве случаев подавляет развитие лидера с модели защищаемого объекта, на котором наблюда­ется только слабая корона (рис. 9. 66)

а) б)

Рис. 9.66. Поражение модели молниеотвода разря­дом из искусственного облака заряженного водного аэрозоля:

а – фотография; б — развертка процесса поражения программируемой электронно-оптической камерой (размер кадра 70x70 см², длительность экспозиции кадра 0,6 мкс, пауза между кадрами 0,2 мкс)

Рис. 9.67. Зависимость поражения разрядам пер­вого модельного фазного провода от угла защиты модельного грозозащитного троса

На основе проведенных экспериментов (около 10 тыс. разрядов) для модельной линии электропередачи зависимость веро­ятности поражения крайнего провода от угла защиты а грозозащитного троса пока­зана на рис. 9.67 (кривая 1). Зависимость вероятности прорыва молнии через тросо­вую защиту к фазному проводу линии элек­тропередачи, рассчитанная по эмпиричес­кому соотношению в масштабе 1:100, пред­ставлена кривой 2. Как видно, вероятность, полученная в эксперименте, существенно отличается от расчетной.

Когда угол а превышал 28º, в экспери­ментах наблюдалось резкое увеличение вероятности поражения разрядом из облака модельного фазного провода Фактически угол защиты 25 —40º является критическим с точки зрения резкого роста вероятности возникновения восходящих встречных раз­рядов на фазных проводах линии электропе­редачи. Возможно, в этом случае условия для старта восходящего искрового разряда с фазного провода создаются в момент, когда коронный разряд присутствует на молниезащитном тросе, экранируя его и задерживая момент возникновения восходящего разряда на молниезащитном тросе.

Таким образом, применение искусст­венных заряженных аэрозольных облаков открывает новые возможности для оценки вероятностей прорыва молнии в зоны защиты молниеотводов.