Виды молний и параметры тока

Из предшествующих параграфов сле­дует, что молнии могут быть отрицатель­ными (их большинство) или положитель­ными в зависимости от знака заряда облака. Из самой структуры грозового облака (см. рис. 9.4) следует, что в некоторых случаях они могут быть биполярными, например, в начальной части на землю проходит отрица­тельный ток (переносятся отрицательные заряды), а потом его полярность меняется на положительную,

В зависимости от направления развития лидера — от облака к земле или наоборот - молнии разделяются на нисходящие (направ­ленные вниз) и восходящие (направленные вверх). Последние наблюдаются при пора­жениях высоких объектов и в горах. Вероят­ность возникновения восходящих молний возрастает с увеличением высоты объекта. При поражениях конструкций высотой около 100 м только в 10 % случаев молнии бывают направленными вверх, в то время как при высоте конструкции более 400 м восходящие молнии составляют 95 %.

Наряду с завершенными разрядами, образующими канал облако—земля, могут быть и незавершенные разряды. В послед­нем случае лидерный канал прекращает свое развитие, не доходя до противополож­ного электрода — земли или облака. При­чиной этому могут быть быстро меняющи­еся условия в недостаточно зрелом грозо­вом облаке.

Классификация молний по К. Бергеру (1977 г) показана на рис. 9.9. Для боль­шинства наземных сооружений характерны типы молний 1b и 3b.

Токи молнии являются причиной повы­шения потенциалов в точке удара и на металлических конструкциях, электриче­ски связанных с этой точкой, а также на контуре заземлителя. Возникают высокие напряжения и на участках электрических контуров, по которым протекает ток мол­нии или его часть. Значения повышенного потенциала и возникающих высоких напря­жений прямо пропорциональны активному сопротивлению и индуктивности контура растекания тока молнии.

В точке удара возникает мощный тепловой поток. Он определяется током и паде­нием напряжения в приэлектродной области, которое практически не меняется во вре­мени и не зависит от тока. Поэтому тепло­вой поток, поступающий в металл в точке удара, прямо пропорционален протекшему заряду.

Рис. 9.9. Классификация молний по К. Бергеру:

Л - направление развития лидера; ГР — направление развития главного разряда

Нагрев металлических элементов, по которым протекает ток молнии, определя­ется произведением активного сопротивле­ния и так называемой удельной энергии тока молнии, представляющей интеграл квадрата тока по времени.

Таким образом, при молниезащите необ­ходимо считаться со следующими парамет­рами тока молнии:

· максимальное значение тока молнии и изменение тока во времени;

· наибольшая крутизна тока ;

· заряд, переносимый током, ;

· удельная энергия .

Рис. 9.10. Типичная осциллограмма тока молнии, развивающейся с положительна заряженного облака

Ток молнии сложным образом меняется во времени. При положительной поляр­ности заряда облака (примерно 10 % общего количества грозовых разрядов) он представляет собой однократный унипо­лярный импульс и последующую за ним так называемую постоянную составляю­щую тока молнии. На рис. 9.10 показана типичная осциллограмма тока главного разряда положительной молнии.

При отрицательном заряде облака (при­мерно 90 % молний) ток молнии состоит из серии импульсов, наложенных на постоян­ную составляющую тока молнии (рис. 9.11). Импульс тока, следующий за первым, имеет наименьшую длительность, хотя его макси­мальное значение в несколько раз меньше, чем первого (рис. 9.12).

Таким образом, молнии каждого типа характеризуются специфическим измене­нием тока во времени.

При решении задач молниезащиты и обеспечения молниеустойчивости объектов часто бывает достаточным знать указанные выше основные опасные параметры тока молнии. Важнейшим из них является мак­симальное значение тока. Как уже отмеча­лось выше, наибольшие по значению токи в объектах, расположенных на земле, при отрицательном заряде облака наблюда­ются при нисходящих молниях, причем это токи первых главных разрядов.

Рис. 9.11. Осциллограмма тока молнии, развивающейся с отрицательно заряженного облака

Рис. 9.12. Типичные осциллограммы токов главных разрядов отрицательных молний:

1 - нижняя шкала времени, 2 - верхняя шкала времени

Статистические данные о значениях токов главных разрядов приведены на рис. 9.13, где по оси ординат отложена вероятность р того, что амплитуда тока равна заданному значению или превышает его. Зависимость 3 полу­чена по формуле

(9.1)

Эта зависимость выражает нормирован­ное в нашей стране распределение вероят­ностей значений токов молнии Распреде­ление (9.1) сильно отличается от распреде­лений максимальных значений измеренных токов молний. Это объясняется тем, что распределение (9.1) учитывает не только максимальные токи нисходящих молний, но и все другие, в том числе токи восходящих молний, а также токи при перекрытиях изоляции ВЛ в результате ударов молнии; при этом ток, определяемый магниторегистратором, не обязательно равен току мол­нии.

Рис. 9.13. Статистические данные о максимальных значениях токов молнии:

1 - измерения К. Бергера; 2 - измерения Е. Гарбагнатти; 3 - расчет по (9.1)

При определении поражающего дейст­вия тока молнии важно знать не только максимальное значение импульса тока, но и его временные параметры: длительности фронта и импульса.

Распределение вероятностей длитель­ностей фронта приведено на рис. 9.14, из которого видно, что длительность фронта импульсов тока повторных вспы­шек отрицательных молний (зависимость 2) много меньше при той же вероятности, чем первых (зависимость 1), которая, в свою очередь, гораздо меньше длительно­сти фронта тока положительных молнии (зависимость 3).

Рис. 9.14. Статистические данные о длительностях фронта токов молнии: 1 — первые импульсы отрицательных молний; 2 — вторые импульсы отрицательных молний; 3 — импульсы положительных молний

Распределения длительностей импуль­сов приведены на рис. 9.15. Наимень­шими длительностями обладают импульсы тока повторных разрядов отрицательных молнии (зависимость 2), наибольшими положительных (зависимость 3).

Рис. 9.15. Статистические данные о длительностях импульсов токов молнии:

1 — первые импульсы отрицательных молний: 2 — повторные импульсы отрицательных молний; 3 - импульсы положительных молний

В результате непосредственных измере­ний крутизны тока молнии установлено, что наибольшее значение крутизны тока молнии наблюдается при повторных импуль­сах токов главных разрядов отрицательных молний. Это связано с тем, что канал разряда расширен и прогрет за счет тока пер­вого импульса и тока, протекающего по каналу в интервале между импульсами. Этим не только обеспечивается повторный пробой по уже существующему каналу от облака к земле, но и облегчается нейтрали­зация зарядов, сообщенных каналу после пробоя.

Вероятность р того, что крутизна тока повторных вспышек отрицательных молний превысит заданное значение а, приведена на рис. 9.16 (зависимость 1). Для расчетов перенапряжений в ВЛ принята следующая формула для вероятности крутизны тока:

(9.2)

Эта зависимость показана на рис. 9.16 (кривая 2). Так как она учитывает вероят­ности при любых типах молний, а также крутизны токов, измеренных в линиях при грозовых разрядах, не обязательно совпа­дающих с токами повторных импульсов, то различие зависимостей 1 и 2 на рис. 9,16 является естественным.

Рис. 9.16. Статистические данные о крутите токов молнии:

1 - повторные импульсы отрицательных молний; 2 - зависимость, рассчитанная по (9 2)

Так как условия накопления отрицательных и положительных зарядов в грозо­вом облаке не одинаковы и по-разному формируются каналы разряда, то и заряды, переносимые токами с облака на землю, оказываются не одинаковыми при разных видах молнии.

Рис. 9.17. Статистические данные о зарядах, пере­носимых токами молний:

1 — положительные молнии; 2 — отрицательные молнии

Статистические данные о зарядах Q, переносимых на землю при положитель­ных и отрицательных молниях, приведены на рис. 9.17, из которого видно, что заряд Q положительных молний (зависимость 1) намного больше, чем отрицательных (зави­симость 2).

Удельная энергия, или интеграл квадpaтa тока молнии по времени в основном определяется импульсными сос­тавляющими тока. Вклад постоянной сос­тавляющей тока молнии в интеграл А незначителен. Как и заряд Q, энергия А при положительных молниях выше, чем при отрицательных.

Обобщенная вероятность р того, что А равно заданному значению или превысит его, приведена на рис, 9 18.

Обобщенные МЭК статистические дан­ные, отражающие более полные сведения о параметрах токов различных видов молнии и их компонентов, приведены на рис. 9.19. На их основании были приняты следующие параметры испытательных импульсов токов молнии.

Рис. 9.18. Статистические данные об удельной энер­гии А

импульсов тока молнии, определяемые как 1,25 интервала времени между значениями тока 0,1 и 0,9 максимального значения, сле­дующие: первый импульс — 10 мкс, пов­торный — 0,25 мкс. Длительности импуль­сов (интервал времени от начала импульса до момента снижения тока до половины максимального значения) составляют: пер­вый импульс — 350 мкс; последующий — 100 мкс.

При решении вопросов молниезащиты приняты следующие испытатель­ные импульсы:

• первый — 10/350 мкс (положительно заряженное облако);

• повторный 0,25/100 мкс (второй импульс тока при отрицательном заряде облака).

Введены четыре уровня защиты, харак­теризующие вероятность того, что пара­метр не превысит указанного значения:

• I уровень — вероятность 0,99;

• II уровень — вероятность 0,97;

• III уровень— вероятность 0.91;

• IV уровень — вероятность 0,84.

Параметры испытательных импульсов приведены в табл. 9.1 – 9.3.

а) б)

в) г)

Рис. 9.19. Вероятностные характеристики параметров таков молнии максимального тока (а), максимальной крутизны (б), удельной энергии (в), заряда (г):

1 — первый импульс отрицательной молнии; 2 - второй импульс отрицательной молнии, 3 - импульс поло­жительной молнии; 4 - суммарный заряд, переносимый током отрицательной молнии, 5 - суммарный заряд, переносимый током положительной молнии

Таблица 9.1. Параметры первого импульса

Параметр	Уровень защиты
I	II	III-IV
Максимальное значение тока, кА
Заряд, Кл
Удельная энергия, МДж/Ом		5,6	2,5

Таблица 9.2. Параметры второго импульса

Параметр	Уровень защиты
I	II	III-IV
Максимальное значение тока, кА		37,5
Средняя крутизна, кА/мкс

Таблица 9.3. Параметры постоянной составляющей

Параметр	Уровень защиты
I	II	III-IV
Заряд, Кл
Длительность, с	0,5

Дата добавления: 2014-01-06