Глава 2
ЗАЩИТА ОТ ПРЯМЫХ УДАРОВ МОЛНИИ
- Ориентирование разрядов молнии на возвышающиеся над поверхностью земли предметы
В п. 1.2 показано, что разряд молнии формируется в лидерной форме и средняя скорость его продвижения от ЗЦО к земле составляет около 1 · 106 м/с. Это означает, что полное время продвижения искрового канала от ЗЦО к земле при средней длине канала лидера 3 км составляет около 3 · 10_3 с = 3000 мкс. Это время соответствует времени увеличения напряженности электрического поля в воздушном промежутке между окончанием лидера и землей (или заземленными предметами на поверхности земли). Такая длительность нарастания напряженности электрического поля между окончанием лидера и заземленными предметами соответствует минимальной разрядной напряженности электрического поля в воздушном промежутке между окончанием лидера и заземленными предметами [12]. И это естественно, поскольку в реальных условиях формирование разряда между ЗЦО и землей происходит при минимально возможной напряженности электрического поля, достигаемой в процессе разделения зарядов в восходящем потоке воздуха при формировании грозовых облаков. О времени накопления заряда в ЗЦО, достаточном для развития искрового разряда, можно судить по длительности интервалов между повторными разрядами молнии по одному каналу (см. рис. 1.17). Минимальное время между повторными разрядами составляет около 0,01 с, что обеспечивает развитие разряда молнии при наиболее благоприятных условиях (при минимальной напряженности электрического поля). В такой ситуации искажение электрического поля развивающегося лидера молнии возвышающимися над поверхностью земли предметами приводит к изменению направления развития лидера.
Рис. 2.1. Среднегодовое число ударов молнии в сосредоточенные (а) и протяженные (6) объекты в зависимости от их высоты к, приведенные к интенсивности грозовой деятельности 25 дней с грозой за год:
штриховые линии - границы области разброса результатов наблюдений; сплошные линии - усредненные данные (22]
Следовательно, возвышающиеся над поверхностью земли проводящие предметы инициируют свое поражение молнией. Поэтому чем больше высота проводящего возвышающегося объекта над поверхностью земли, тем больше вероятность его поражения молнией (рис. 2.1).
Большой разброс результатов наблюдений определяется тем обстоятельством, что искажение электрического поля развивающегося лидера молнии определяется не только высотой наземного объекта, но и площадью его поверхности, что в совокупности определяет заряд объекта.
В действительности искажение поля развивающегося лидера молнии определяется зарядом наземного объекта. И чем больше этот заряд, тем больше его влияние на путь развивающегося искрового разряда. При этом совершенно необязательно поражаемый молнией объект должен быть острым. Важно, чтобы заряд объекта обеспечил достаточно сильное увеличение электрического поля в его сторону, что определяется частью заряда лидера, связываемой зарядом объекта. При этом значение имеет не полный заряд на возвышающемся объекте, образованный каким-либо образом (например заряд на проводах линий электропередачи), а заряд, наведенный развивающимся лидером молнии. И чем большая часть заряда лидера оказывается связанной зарядом объекта, тем больше вероятность его поражения. Для защиты электроэнергетических объектов (а также объектов общегражданского назначения) применяются молниеотводы (стержневые молниеотводы в случае объектов ограниченных размеров либо протяженные молниеотводы в случае протяженных объектов, например молниезащитные тросы на линиях электропередачи), как правило, возвышающиеся над защищаемыми объектами. При этом необходимо иметь в виду, что увеличение наводимого заряда на молниезащитном устройстве приводит к увеличению разрядов молнии в рассматриваемую комбинацию в целом. Это обстоятельство снижает эффективность молниезащитных устройств и его необходимо учитывать при их выборе. При подходе лидера молнии к объекту (с молниезащитными устройствами) механизм ориентирования молнии изменяется: определяющее значение имеет расстояние между окончанием лидера и элементами объекта (включая молниезащитные устройства). Чем меньше это расстояние, тем раньше развивающиеся стримеры с окончания лидера достигнут этого элемента и спровоцируют разряд молнии на этот элемент. Во многих трудах по оценке эффективности молниезащиты принимаются во внимание встречные лидеры, развивающиеся с поражаемого заземленного объекта навстречу развивающемуся лидеру молнии [43]. Необходимо обратить внимание на несравнимые условия развития лидера молнии вблизи земли и встречного лидера. Длина стримеров встречного лидера имеет порядок метров, тогда как длина стримеров лидера молнии у поверхности земли имеет порядок десятков метров. Соответственно скорость продвижения лидера молнии на порядок больше скорости продвижения встречного лидера. Поэтому развитие встречного разряда не может оказать сколько-нибудь заметного влияния на развитие лидера молнии. По этой причине при дальнейшем изложении методики оценки эффективности молниезащиты встречные лидеры не учитываются. Основная роль молниезащитных устройств сводится к обеспечению меньшего расстояния (меньших расстояний) от окончания лидера до них, чем до элементов защищаемого объекта при приближении лидера на опасное расстояние.
Молния поражает не только наземные проводящие объекты, но и проводящие объекты, не имеющие контакта с землей, как, например, самолеты и другие летающие объекты (вертолеты, дирижабли и т.п.). Дело в том, что в поле ЗЦО на проводящем летающем объекте происходит разделение зарядов: на ближайшей к ЗЦО части летающего объекта (например на носовой части корпуса самолета) накапливается заряд противоположного знака, а на удаленной (например хвостовой) части накапливается заряд, совпадающий по знаку со знаком заряда ЗЦО. Соответственно, часть заряда лидера молнии оказывается связанной зарядом летающего объекта, что и определяет вероятность ориентирования развивающегося лидера молнии на ближайшую его часть с последующей нейтрализацией заряда ближайшей части самолета и возможностью дальнейшего развития разряда с противоположной части самолета на другую часть облака (противоположно заряженную) либо на землю.
Следовательно, в любом случае вероятность поражения молнией того или иного объекта определяется относительной величиной заряда, наведенного на объекте развивающимся лидером молнии: отношением наведенного на объекте заряда Qoб н к заряду Q„ развивающегося лидера молнии:
(2.1) причем знак “минус” перед дробью определяется тем, что знак заряда развивающегося лидера молнии и знак наведенного заряда на наземном объекте противоположны.
Современные компьютерные программы позволяют вычислить вероятность поражения молнией любого отдельно стоящего объекта и любого объекта с соответствующей системой молниезащиты. При этом в соответствии с вышеизложенным задача решается в два этапа: сначала определяется положение поверхности равновероятного появления окончания лидера согласно формуле (2.1), минимальное расстояние от которой до элементов объекта (включая молниезащитные устройства) соответствует длине стримеров лидера молнии. А затем определяются расстояния от этой поверхности до всех элементов объекта. И вероятность прорыва молнии на объект определяется отношением площади поверхности, расстояние от которой до элементов защищаемого объекта меньше, чем до молниезащитных устройств, к общей площади поверхности равновероятного поражения молнией объекта (включая молниезащитные устройства, в том числе и землю).
