Понятие о грозе и атмосферных перенапряжениях

При нормальных режимах напряжение в электри­ческих установках близко к номинальному и не превосходит его более чем на 10 %. Однако возможны кратковременные повыше­ния напряжения, которые называются перенапряжениями. В за­висимости от причины возникновения они разделяются на ком­мутационные и атмосферные. Следствием их может быть пробой изоляции электроустановок с последующим коротким замыканием и отключением электроприемников. Основной вид перенапряже­ний, от которых надлежит защищать электроустановки, есть перенапряжения, вызываемые атмосферными явлениями, и в первую очередь грозой.

Причиной грозы является грозовое облако, которое образуется из мельчайших капель воды — водяной пыли. Восходящими воздушными потоками водяная пыль поднимается в верхние слои атмосферы и образует облака. По пути капли электризуются вследствие трения о воздух, и нижняя часть облака заряжается отрицательно. В свою очередь, земля как вторая обкладка своеобразного огромного конденсатора получает положительный заряд. Напряженность электрического поля между грозовым обла­ком и землей в среднем составляет 10 кВ/м, однако в местах, где на земле имеются остроконечные предметы, напряженность уве­личивается и может даже наблюдаться свечение из-за так называе­мого коронного разряда.

Если напряженность электрического поля превысит электрическую прочность воздуха 25 ... 30 кВ/см, то создаются условия для образования молнии. Существуют различные разновидности молний: линейная, шаровая. С точки зрения возможных повреждений электроустановок интерес представляет линейная молния между облаком и землей.

 

 

 

Рис. 4.1. Зависимость напряжения от времени при атмосферном пере­напряжении.

Примерно 50 % линейных молний состоит из 3 ... 4 повторных разрядов и более — до 40. Интервалы между разрядами составляют от тысячных до сотых долей секунды. Первый раз­ряд обычно самый сильный. Каждый разряд состоит из предразрядного процесса и собственно разряда. Предразрядиый процесс представляет собой ступенчатый пробой воздуха, называемый лидером, движущимся ступенями по 50 ... 100 м с остановкой на 10 ... 100 икс. Скорость продвижения лидера порядка 1000 км/с. Когда лидер достигает земли или встречного лидера от земли к облаку, по образовавше­муся каналу устремляется главный разряд со скоростью 50 ... 150 тыс. км/с.

Длина линейной молнии, представляющей собой огромную искру, составляет обычно сотни и тысячи метров, а между облаками—даже десятки километров.

Ток молнии стремительно возрастает до 30 ... 40 кА. Зареги­стрированы молнии с силой тока сотни килоампер, но они бывают редко и учитываются только при защите особо ответственных объектов.

Во время разряда температура канала в воздухе достигает 20 000 °С. При этом воздух быстро расширяется и как бы взры­вается, что вызывает ослепительный световой импульс и раскаты грома.

Разряда молнии имеет форму апериодического импульса или волны напряжения. Напряжение быстро возрастает до максимума U_max, который называется амплитудой перенапряжения, а затем относительно медленно уменьшается. Время t₁за которое напряжение молнии возрастает от нуля до амплитудного значения, называется фронтом волны. Время t₂ от начала процесса до снижения напряжения, равного 50 % амплитуды на спадающей части импульса или волны, называют длиной волны. Для усредненной характеристики импуль­са или волны молнии определяют t₁ = 1,67 ВА (рис. 1.1), а t₂= ОС, причем прямую OD проводят через точки на кривой им­пульса, равные 0,30 U_mах и 0,90 U_mах Фронт волны составляет t₁=1,2 мкс и длина волны t₂=50 мкс.

Максимальное напряжение линейной молнии составляет сотни тысяч и даже миллионы вольт, то есть мощность ее огромна, однако, вследствие того что длительность действия молнии ничтожно мала (десятки микросекунд), количество выделяемой энергии незначительно. Суммарный заряд, переносимый молнией, обычно составляет 20 ... 100 кулон

Грозы — явление крайне распространенное. Поскольку они носят главным образом тепловой характер, число грозовых часов в году по продвижении к северу, как правило, уменьшается.

В средней полосе сезон грозовой деятельности начинается в мае, а кончается в октябре. Зимние грозы крайне редки.

Наиболее тяжелые последствия бывают при прямом ударе молнии в поражаемый объект. Это прежде всего воздействие амплитуды волны перенапряжения, которая достигает миллионов вольт и практически пробивает любую изоляцию. Кроме того, молния расщепляет деревянные стойки и траверзы опор линий электропередачи, разрушает каменные и кирпичные постройки, вызывает пожары и т. п.

Электростатические и электромагнитные поля, связанные с главным разрядом молнии, индуктируют напряжения на проводах линии, проходящих вблизи места удара, достигающие сотен тысяч вольт. Этот индуктированный импульс или волна распространяется со скоростью, близкой к скорости света, по всем электрически связанным линиям и вызывает повреждения в местах с наиболее слабой изоляцией, иногда за несколько километров от места удара молнии.