1.МЕХАНИЗМ ФОРМИРОВАНИЯ МОЛНИИ

1.1 Грозовые облака

Грозовые облака (кучево-дождевые облака) формируются при взаимодействии перемещающихся воздушных масс, влажности и тепла. Данный тип облаков по горизонтальной плоскости имеют диаметр 10 км, по вертикали – около 15 км. Грозовое облако имеет весьма специфическую форму, похожую на наковальню, что объясняется наличием нижних и верхних горизонтальных слоев. Разность температур внутри облака (на вершине облака она может достигать -650С) играет очень важную роль, т.к. именно она провоцирует быстрое движение восходящих потоков воздуха, что приводит к электризации частичек воды.

Верхняя часть грозового облака состоит из кристаллов льда и обычно имеет положительный заряд, а нижняя часть облака, состоящая из частичек воды имеет отрицательный заряд. Накопление и разделение зарядов в облаке происходит за счет аэродинамических и термических процессов (положительные заряды находятся в непосредственной близости от земли).

"Грозовое облако – земля" представляет собой конденсатор громадной емкости, расстояние между "обкладками" которого составляет 1-2 км. Атмосферное электрическое поле относительно земли может достигать от сотен В/м в хорошую погоду и до 15-20кВ в следствии разрядов на землю (удар молнии).

До и во время появления молнии можно наблюдать разряды внутри грозового облака (внутриоблачные) или между облаками (между двумя рядом расположенными грозовыми облаками), а также между грозовым облаком и землей.

1.2 Молния

По направлению распространения электрического разряда (нисходящего или восходящего) и в зависимости от знака заряда (положительного или отрицательного), различают четыре типа молнии. Удары молнии нисходящего типа и с отрицательным зарядом встречаются наиболее часто.

1.3 Разряд молнии

Наблюдая за молнией невооруженным глазом, невозможно различить этапы формирования молнии. Для этого необходимо применение специальных фотографических устройств. Нисходящий разряд между облаком и землей разделяется на лидерный и главный разряд. Он начинается с прорастания от облака к земле слабосветящегося канала (ступенчатый лидер), который движется прерывисто (ступенями). Длина каждой ступени около 50 м, средняя скорость ее распространения составляет 50 000 км/с.После прорастания каждой ступени наступает пауза от 30 до 100 мкс. Общее время продвижения лидера составляет 0,005-0,1с, средняя скорость этого процесса – (1-2)105 м/с. По интервалу времени между каждой ступенью можно определить среднюю скорость процесса.

По мере приближения ступенчатого лидера к земле напряженность электрического поля на вершине возвышающегося заземленного объекта увеличивается и может превысить критическую. С объекта начинает развиваться встречный лидер, а ступенчатый при этом может поменять направление, отклоняясь к развивающемуся от объекта встречному и соединяясь с ним. Встречный лидер имеет важное значение в развитии молнии. Им формируется завершающий участок траектории и в значительной степени определяется место поражения. Когда головка ступенчатого лидера соприкоснется с землей или встречным лидером, возникает главный разряд. Он связан с нейтрализацией отрицательных зарядов лидера положительными зарядами земли. Ток главного разряда может достигать 35000А. Процесс возобновляется и происходит до того момента, пока нисходящий и встречный лидер не будут находиться в нескольких десятках метров или метров от земли.

1.4 Действия молнии

Разряд молнии сопровождается следующими явлениями:

- видимый (световой) эффект (молния), происходит по принципу лавинной ионизации Таунсенда;

- звуковые эффекты: следствие распространения ударной волны (увеличение давления) при разряде молнии. Звук, возникший от удара молнии, воспринимается человеком за десятки километров;

-термическое действие молнии: объясняется действием джоулевских процессов в ионизированном канале молнии;

- электродинамическое воздействие: механические силы, действующие на объект при ударе в него молнии. Электродинамические воздействия молнии проявляются на пораженном объекте в виде его деформаций.

- идукционные воздействия: в проводнике, находящемся в переменном магнитном поле, протекают индуктированные токи;

- влияние на живые организмы (человека или животных): протекание тока определенной величины на протяжении короткого времени может привести к поражению электрическим током (остановке сердца или дыхания), а также к ожогам различной степени.

2. ЗАЩИТА ОТ УДАРОВ МОЛНИИ

Существует два типа повреждений от удара молнии:

а). Обусловленные прямым попаданием молнии в здание или в иной объект. Удар молнии приводит к ущербу, чаще всего пожару. Для предотвращения таких явлений необходима защита объектов громоотводами.

б). Обусловленные вторичными действиями молнии, такими как перенапряжения в кабелях или узлах электропередачи. Такое оборудование необходимо защищать от перенапряжений и действия токов молнии.

2.1 Защита от прямых ударов молнии.

Для защиты объекта от прямых ударов молнии, необходимо определить наиболее вероятное место попадания молнии на объекте и выбрать кратчайшее расстояние от молниеприемника до заземлителя для создания наилучших условий протекания токов после попадания молнии в громоотвод.

2.1.1 Стержневой молниеотвод.

Высота стержневого молниеотвода определяется в зависимости от высоты защищаемого объекта и попадание в него молнии происходит в том случае, если нисходящий лидер молнии будет находиться в непосредственной от молниеприемника близости.

Такими молниеотводами не желательно осуществлять молниезащиту опор, антенн радиостанций, в связи с их низким уровнем защиты.

Установка стержневого молниеотвода состоит из:

1). стержневой молниеотвод и его несущая часть,

2). один или два токоотвода,

3). для измерения величины сопротивления заземлителя имеется устройство для отключения токоотвода от молниеотвода.

4). заземлитель, представляющий собой защитную трубу длиной 2 м, вертикально утопленную в землю,

5). зарытые в землю три трубы заземлителя, соединенные между собой металлическими полосами.

2.1.2 Активные молниеотводы

Современные технологии молниезащиты были выбраны из многих разработок и при поддержке CNRS и компании HELITA рекомендованы для применения на объектах.

PULSAR оборудован электроникой, которая позволяет генерировать сигналы высокого напряжения определенной частоты и амплитуды, что способствует возникновению восходящего лидера в определенном месте при развитии нисходящего. Энергия, исходящая от активного молниеотвода, должна быть направлена на грозовое облако, в следствии чего образуется ионизированный поток воздуха, который создает направление для удара молнии в молниеприемник. После удара молнии, энергия, сообщенная ей уходит по токоотводу в землю.

Принцип действия активного молниеотвода:

Во время грозы PULSAR формирует восходящий лидер путем ионизации воздуха вокруг острия молниеприемника. Восходящий лидер, исходящий из активного молниеотвода, начинает движение навстречу нисходящему лидеру со скоростью 1м/мс.

?Т (мс) – время между начальным моментом функционирования молниеотвода и началом движения восходящего лидера.

?Т определяется лабораторным путем (приложение С стандарта NF C 17-102).

Установка активного молниеотвода включает в себя;

1). активный молниеотвод и его несущая часть;

2). один или несколько токоотводов;

3). для измерения величины сопротивления заземлителя имеется устройство для отключения токоотвода от молниеотвода;

4). заземлитель, представляющий собой защитную трубу длиной 2 м, вертикально утопленную в землю;

5). разветвленную сеть токоотводов для снижения действия влияний перенапряжений от удара молнии;

6). зарытые в землю три трубы заземлителя, соединенные между собой металлическими полосами.

2.1.3 Молниеприемная сетка.

Принцип действия состоит в распределении заземлителей и токоотводов по всей плоскости защищаемого объекта для уменьшения действий перенапряжений, вызванных ударом молнии. Молниезащитная сетка состоит из разветвленной сети заземлителей и токоотводов и применяется в тех случаях, когда внутри защищаемого объекта находится оборудование, чувствительное к перенапряжениям. После попадания молнии в молниеприемник, ее ток растекается по заземлителям, а, следовательно, сила тока, его термическое действие на защищаемый объект уменьшаются.

Установка молниезащитной сетки включает в себя:

1). молниеприемники;

2). крепления;

3). токоотводы;

4). зарытые в землю три трубы заземлителя, соединенные между собой металлическими полосами.

2.1.4 Грозозащитные тросы.

Такой вид молниезащиты может состоять из одного или множества тросов, подвешенных над защищаемым объектом. Зона защиты определяется типом грозозащитного троса. Грозозащитные тросы должны быть заземлены индивидуально. При их установке необходимо учитывать механическую прочность троса, тип защищаемого объекта, а также расстояние от грозозащитного троса до заземлителя.

2.2 Защита от перенапряжений.

При ударе молнии в кабель или другое оборудование (коаксиальный кабель, телефонный кабель, силовой кабель), перенапряжения, вызванные молнией, распространяются, к оборудованию, подключенного к кабелю. Перенапряжения вызваны электромагнитными свойствами молнии. Последствия удара молнии могут привести к преждевременному старению изоляции, разрушению печатных схем оргтехники, некорректной работе оборудования, потере данных, сбою программного обеспечения, разрушению ЛЭП и т.д. Особо чувствительное оборудование необходимо защищать при помощи разрядников. Рекомендуется установка по крайней мере одного разрядника на молниеотвод. Номинальный ток разрядника – 65 тыс. А.