Воздействие грозовых разрядов

 

Грозовые разряды - молнии - рассматриваются как электрические разряды гигантского конденсатора, одной обкладкой которого служит грозовое облако, заряженное с нижней стороны (чаще всего, отрица­тельными зарядами), а другой - земля, на поверхности которой инду­цируются положительные заряды (грозовые разряды проходят также между разноименно заряженными частями облаков). Эти разряды со­стоят из двух стадий: начальной (лидерной) и главной. В начальной стадии молния медленно развивается от грозового облака до поверх­ности земли в виде слабо светящегося ионизированного канала, кото­рый заполняется отрицательными зарядами, стекающими из облака (рис. 4.9).

Рис. 4.9 Грозовое облако

 

Типичная осциллограмма волны тока молнии, проходящей через пораженный объект (рис. 4.10), показывает, что в течение нескольких микросекунд ток молнии нарастает до максимального (амплитудного) значения i. Этот участок волны (см. рис. 4.10, точки 1-2) называется временем фронта волны т. Далее следует спад тока. Время от начала (точка 1) до того момента, когда ток молнии, спадая, достигает значения, равного половине его амплитуды (точками 1-4), называют перио­дом полу спада Т1

Важными характеристиками тока молнии являются также амплиту­да и скорость нарастания тока молнии (крутизна волны).

Амплитуда и крутизна тока молнии зависят от многих факторов (заряда облака, проводимости земли, высоты объекта поражения другие) и изменяются в широких пределах. Практически амплитуду волны определяют по кривым вероятности токов молнии (рис. 4.11).

На этих кривых по оси ординат отложены амплитудные значения токов молнии I_м, а по оси абсцисс - значения вероятности появления этих токов.

Вероятность выражена в процентах. Верхняя кривая характеризует токи молнии с вероятностью до 2%, а нижние кривые - до 80%. Из кри­вых рис. 4.11 видно, что токи молнии на равнинных участках (кривая 1) примерно вдвое больше токов молнии в горных районах (кривая 2), где удельное сопротивление грунта достаточно велико. Кривая 2 относится также к токам молнии попадающей в провода линии и в возвы­шающиеся объекты с переходным сопротивлением объект - земля по­рядка сотен Ом.

Наиболее часто наблюдаются токи молнии до 50 кА. Токи молнии свыше 50 кА не превышают 15% в равнинных районах и 2,5% игор­ных районах. Средняя крутизна тока молнии 5 кА/мкс.

Независимо от географической широты полярность разрядного то­ка молнии может быть как положительной, так и отрицательной, что связано с условиями образования и разделения зарядов в грозовых об­лаках. Однако в большинстве случаев токи молнии имеют отрицатель­ную полярность, т. е. из облака в землю переносится отрицательный заряд и лишь в редких случаях зафиксированы токи положительной полярности.

Именно с токами молнии (отрицательной и положительной поляр­ности) часто связано возникновение перенапряжений в электрических установках, в том числе в устройствах проводной связи. Различают два вида воздействия токов молний: прямой удар молнии (п. у. м.) в линии связи и косвенные воздействия токов молнии при разряде молнии вблизи ЛС. В результате обоих воздействий в проводах линии связи возникают перенапряжения от п. у. м. и индуцированные перенапря­жения, объединяемые под общим названием атмосферные перена­пряжения.

При прямом ударе молнии появляются перенапряжения до не­скольких миллионов вольт, которые могут вызвать разрушение или повреждение оборудования линии связи (опор, траверс, изоляторов, кабельных вставок), а также аппаратуры проводной связи, включенной в провода линии. Частота п. у. м. находится в прямой зависимости от интенсивности грозовой деятельности в данном районе, который характеризуется об­щей годовой продолжительностью гроз, выраженной в часах или гро­зовых днях.

Интенсивность грозовых разрядов характеризуется величиной тока молнии. Наблюдениями, проведенными во многих странах, установле­но, что величина тока в каналах разрядов молний колеблется от не­скольких сот ампер до нескольких сот тысяч ампер. Продолжитель­ность молнии колеблется от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд.

Ток разряда имеет импульсный характер с передней частью, назы­ваемой фронтом волны, и задней частью, называемой спадом волны. Время фронта волны тока молнии обозначается через х мкс, время спада волны до 1/2 амплитуды тока обозначается через t.

Эквивалентной частотой молнии называют частоту синусоидально­го тока, который, действуя в оболочке кабеля вместо волны импульс­ной формы, вызывает появление напряжения между жилой и оболоч­кой с амплитудой, равной амплитуде при естественном токе молнии. В среднем м= 5 кГц.

Эквивалентным током молнии называют эффективное значение си­нусоидального тока с эквивалентной частотой молнии. Средняя вели­чина тока при ударах в землю равна 30 кА.

Количество и объем повреждений, возникающих в течение года на подземном кабеле связи, зависят от ряда причин:

• интенсивность грозовой деятельности в районе прокладки кабеля;

• конструкции, размеров и материала внешних защитных покровов, электрической проводимости, механической прочности изоляцион­ных покрытий и поясной изоляции, а также электрической прочно­сти изоляции между жилами;

• удельного сопротивления, химического состава и физического строения грунта, его влажности и температуры;

• геологического строения рельефа местности и района трассы кабеля;

• наличие вблизи кабеля высоких предметов, таких, как мачты, опо­ры линий электропередачи и связи, высокие деревья, лес и т. д.

Степень гроза стойкости кабеля ударам молнии характеризуется добротностью кабеля q и определяется отношением максимально допустимого ударного напряжения к омическому сопротивлению метал­лического покрова кабеля на длине 1 км:

(4.57)

Повреждения в кабеле возникают не при каждом ударе молнии. Опасным ударом молнии называют такой удар, при котором возни­кающее напряжение превышает по амплитуде пробивное напряжение кабеля в одной или в нескольких точках. При одном и том же опасном ударе может возникнуть несколько повреждений кабеля.

При ударе молнии на некотором расстоянии от кабеля возникает электрическая дуга по направлению к кабелю. Чем больше амплитуда тока, тем с большего расстояния может возникнуть дуга. Ширина эк­вивалентной полосы, прилегающей к кабелю, удары в которую вызы­вают повреждение кабеля, в среднем принимается равной 30 м (с кабе­лем посередине). Площадь, занимаемая этой полосой, образует экви­валентную площадь поражения, она получается умножением ширины эквивалентной полосы на длину кабеля.