Развитие грозового разряда

Атмосферными называют перенапряжения, которые возникают в электрических системах в результате грозовой деятельности. Ультрафиолетовое излучение Солнца и космические лучи ионизируют атмосферу, в результате вокруг Земли на высоте 50 км возникает проводящая оболочка – ионосфера (рис. 1.7). Эта оболочка и Земля образуют сферический конденсатор, который заряжается от разрядов молнии до 400 кВ.

Рис. 1.7. Ионосфера Земли

Молния, ударяющая в Землю, несет отрицательный заряд, положительные заряды уходят в ионосферу. В электротехнике потенциал Земли принимают за ноль, однако реально на поверхности Земли имеется избыточный отрицательный заряд. Следует различать два явления: излучение делает ионосферу электропроводящей, а молния заряжает этот сферический конденсатор. Воздух не является идеальным диэлектриком, потому непрерывно идет обратный процесс – разряд конденсатора, суммарный ток разряда равен 6 кА. Потенциал Земли в течение суток изменяется, так как интенсивность грозовой деятельности приходится на момент, когда Земля повернута в сторону Солнца Атлантическим океаном, это соответствует 18 часам.

При охлаждении мощных вертикальных потоков теплого влажного воздуха на высоте 3–5 км происходит конденсация паров воды. В силу того, что планета Земля несет на себе избыточный отрицательный электрический заряд, происходит электризация капель воды в электрическом поле Земли. В грозовом облаке капли разбрызгиваются потоками воздуха, что приводит к разделению зарядов.

Экспериментально установлено, что крупные капли приобретают положительный заряд, а мелкая водяная пыль оказывается заряженной отрицательно. Кроме того, кристаллики льда могут быть наэлектризованы трением о воздух или путем облучения их ультрафиолетовыми лучами Солнца.

Крупные положительно заряженные капли выпадают на Землю в виде дождя, унося положительный заряд. Между облаком и Землей возникает электрическое поле средней напряжённостью порядка 0,1 кВ/мм.

Структура распределения зарядов в грозовом облаке обычно имеет вид, представленный на рис. 1.8. Выше изотермы –10 ºС, как показали исследования, сосредотачиваются положительно заряженные частицы, ниже – частицы, несущие отрицательный заряд. В том месте, где поток воздуха входит в облако, имеется местное скопление положительно заряженных частиц.

Рис. 1.8. Распределение зарядов в грозовом облаке

Облако, разделенное по изотерме –10⁰С на разноименно заряженные части, называется биполярным. Если потоками воздуха верхняя часть облака отрывается от его основания, то образуется униполярное облако, несущее заряды одного знака.

Рассмотрим развитие разряда между отрицательным облаком и Землей. Космическое излучение и ультрафиолетовые лучи от солнца непрерывно ионизируют воздух, в 1 см³ каждую секунду образуется и рекомбинирует 60 пар ионов. В том случае, если локальная напряженность электрического поля превысит 2–3 кВ/мм, электрон разгоняется электрическим полем, соударяется с нейтральной молекулой и ионизирует ее (рис. 1.9, а), т.е. происходит ударная ионизация. Далее путь продолжают два электрона, от которых при соударении возникнут еще два электрона, от четырех возникнет восемь и т.д. Пространство, в котором идут процессы ионизации с нарастающей интенсивностью, называется лавиной электронов.

а б в

Рис. 1.9. Развитие начальной лавины

Лавины подразделяются на первичные, образовавшиеся от внешнего источника излучения (рис. 1.9, б), и вторичные, возникшие от излучения первичной лавины (рис. 1.9, в).

Электроны под действием электрического поля уходят из лавины (рис. 1.10, а), оставляя после себя положительные ионы, которые из-за их большей массы перемещаются со значительно меньшей скоростью, чем электроны.

а б

Рис. 1.10. Развитие канала стримера

Разделение зарядов сопровождается испусканием фотонов, которые порождают вторичные электроны, и те, в свою очередь, приводят к образованию вторичных лавин, направленных в сторону головки первичной лавины.

Электроны вторичных лавин втягиваются в полость первичной (рис. 10, б) и двигаются по направлению к облаку, образуется поток электронов внутри начальной лавины; такой поток называют стримером. Фронт стримера интенсивно испускает фотоны.

Фотоны, испускаемые фронтом стримера, образуют вторичные лавины, направленные к фронту стримера (рис. 1.11, а). Стример движется по каналу начальной лавины, питаясь электронами вторичных лавин. Амплитуда тока во фронте стримера достигает 10 А. Концентрация ионов в стримере составляет 10¹² ион/см³. Скорость движения фронта стримера 1,0–10,0 м/мкс.

Как только стример заполняет весь канал начальной лавины (рис. 1.11, б), происходит образование первичных лавин из конца стримера (рис. 1.11, в).

Рис. 1. 11. Стример

Ток в канале стримера постоянно увеличивается за счет втягивания в него электронов из вновь образовавшихся вторичных лавин. Так как весь этот ток проходит через прикатодную область (рис. 1.12, а), то именно здесь начинается интенсивная термоионизация. В результате происходит переработка канала стримера в хорошо проводящий плазменный канал – лидер (см. рис. 1.12, б).

Визуально этот процесс наблюдается в виде яркого свечения, быстро распространяющегося по каналу стримера. Концентрация зарядов в лидерном канале достигает 10¹⁸ ион/см³, а ток составляет сотни ампер.

а б в г

Рис. 1.12. Развитие стримера и лидера

Лидер движется быстрее стримера (рис. 1.12, б) и в некоторый момент полностью заполнит его, наступает пауза (рис. 1.12, в). Лидер вследствие его высокой проводимости можно уподобить металлическому стержню. Высокая напряженность электрического поля на конце такого стержня приводит к образованию нового стримера, продолжающего разрядный канал (рис. 1.12, г).

Естественно, что такой механизм развития разряда позволяет лидеру перекрывать большие расстояния при относительно малых средних напряженностях поля. Действительно, в длинных воздушных промежутках разряд происходит при средних напряженностях электрического поля порядка 0,1–0,2 кВ/мм, причем чем длиннее промежуток, тем меньше напряженность поля, при которой происходит разряд. Это свойство лидерного разряда создает трудности при построении линий электропередач сверхвысокого напряжения.

Лидер продвигается с паузами, поэтому он получил название ступенчатого лидера. После паузы лидер распространяется не прямолинейно к земле, а может изменить направление движения в зависимости от места появления начального электрона у конца лидера. Визуально мы наблюдаем молнию в виде изломанной линии.

Впереди лидерного канала (рис. 1.13, а) прорастают стримеры со скоростью 1–10 м/мкс, прокладывающие путь ступенчатому лидеру. Скорость прорастания каждой ступени лидера 50 м/мкс. Средняя длина ступени 50 м. Пауза между отдельными толчками составляет 30–90 мкс. Потенциал лидера равен 6 МВ, вокруг лидерного канала образуется коронный чехол, в котором сосредотачивается значительная часть заряда лидера.

В момент, когда лидер достигает земли (рис. 1.13, б), по лидерному каналу от земли начинает распространяться разрядная волна, снижающая потенциал лидера до нуля (рис. 1.13, в). Процесс распространения по лидерному каналу разрядной волны называется главным разрядом (или обратным разрядом). Визуально такое явление воспринимается как собственно разряд молнии.

Главный разряд распространяется в ионизированной среде коронного чехла, поэтому скорость движения разрядной волны составляет 15–150 м/мкс. По мере удаления от земли скорость главного разряда и интенсивность свечения уменьшаются.

а б в г

Рис. 1.13. Переход лидерного канала в стадию главного разряда

Скорость движения разрядной волны зависит от времени, которое затрачивается на перестройку канала лидера в главный разряд. Распространение от земли к облаку разрядной волны эквивалентно стеканию в землю отрицательных зарядов лидера. Сначала стекают заряды, сосредоточенные в самом лидерном канале. Когда лидерный канал приобретает нулевой потенциал, возникает явление «обратной короны», т.е. коронного разряда из области коронного чехла по направлению к лидерному каналу. В результате заряд коронного чехла также стекает по лидерному каналу в землю.

Ток главного разряда I = qV, где q – заряд; V – скорость движения заряда. Поскольку скорость главного разряда велика, то амплитуда тока молнии достигает десятков и даже сотен тысяч ампер, однако длительность тока молнии ограничена в основном временем пробега разрядной волны, которое составляет 50–100 мкс.

Главный разряд приводит к резкому возрастанию проводимости канала молнии. Через этот канал по завершению главного разряда стекают остаточные заряды лидера и облака. В этой стадии, называемой стадией послесвечения, ток достигает сотен и лишь изредка тысяч ампер. Этим током через канал молнии переносится основной заряд из той части грозового облака, из которой начался разряд. В стадии послесвечения молния может быть уподоблена дуге постоянного тока между облаком и землей. Эта дуга поддерживается в течение 0,03–0,05 с. Стадией послесвечения заканчивается структура одного грозового импульса.

Во многих случаях разряд молнии является многократным, состоящим из ряда следующих друг за другом главных разрядов. После завершения стадии послесвечения первого импульса по его пути из облака к земле прорастает стреловидный лидер, который не имеет ступеней и движется непрерывно. За стреловидным лидером из земли в облако следует второй главный разряд, который затем переходит в дугу. Токи молнии повторных импульсов, как правило, ниже тока первого импульса. Причиной возникновения повторных разрядов являются внутренние разряды в грозовом облаке между нейтрализованной областью и соседними скоплениями зарядов.

Многократный характер разряда молнии наблюдается как мерцание молнии. Суммарный заряд, переносимый молнией, лежит в пределах 20–100 Кл.

Дата добавления: 2014-12-16