Электромагнитный импульс грозовых разрядов

Источником возникновения грозовых разрядов являются электрические заряды грозовых облаков.

Образование грозовых облаков, а вместе с ним и гроз рисуется современной теорией в следующем виде. В атмосфере, насыщенной водяными парами, под действием мощных восходящих воздушных потоков происходит разбрызгивание водяных капель. Образующаяся при разбрызгивании мельчайшая водяная пыль оказывается заряженной отрицательно, а остающиеся тяжелые капельки — положительно (рис. 3.8).

Ветер разносит отрицательно заряженную водяную пыль на значительные расстояния, образуя основной массив грозового облака. Положительно заряженные капли выпадают в виде дождя на землю или удерживаются во взвешенном состоянии, образуя в грозовом облаке местное скопление положительных зарядов. Таким образом, началом грозового явления служит электризация облаков в результате механического разделения зарядов противоположного знака и сосредоточения в различных частях облака значительных объемных униполярных зарядов.

Грозовое облако, заряженное с нижней стороны в основном отрицательными зарядами, образует гигантский конденсатор, другой «обкладкой» которого является земля, где на поверхности индуктируются положительные заряды. Средняя напряженность электрического поля конденсатора облако — земля редко превышает 10 кВ/м. Однако в местах, где плотность электрического заряда велика, создаются условия для коронного заряда. В частности, на земле наблюдаются светящиеся разряды с остроконечных предметов. В том случае, когда напряженность электрического поля у облака или у земли достигает критического значения 25 — 30 кВ/см, создаются условия для развития молнии. Из всех видов грозовых разрядов наибольший интерес представляет разряд между облаком и землей. Разрядная волна представляет собой главный разряд, характеризуемый интенсивным свечением канала молнии. Разрядная волна создает ток, протекающий в канале молнии и в пораженном объекте. С этим током, который называется.

собственно, током молнии, связано возникновение волн перенапряжений в электрических установках.

Энергия канала разряда, составляющая, примерно, 10⁵ Дж/м, вызывает акустическое (гром), термическое, световое, электромагнитное воздействие на окружающую среду. При этом могут происходить специфические повреждения объектов — разрушения, пожары. С точки зрения электромагнитной совместимости грозовые разряды создают помехи в диапазоне 1 кГц — 5 МГц. Напряженность электрического поля достигает значений нескольких сотен кВ/м, напряженность магнитного поля — несколько тысяч ампер на метр.

На рис. 3.9 показана типичная форма импульса тока молнии при разряде с облака на землю. Максимальный ток может достигать значений сотен килоампер. Крутизна тока молнии, согласно последним исследованиям, может достигать значений 300 кА/мкс.

При прямом попадании молнии в линию электропередачи возникает бегущая волна напряжения, распространяющаяся вдоль линии. С точки зрения ЭМС опасным является перекрытие изоляции ЛЭП. Вследствие пробоя изоляции образуется срез импульса напряжения. При движении по линии крутизна среза импульса меняется незначительно и зависит от потерь в линии.

Удары молнии в молниеприемники на территории энергообъекта, как правило, вызывают нарушения в работе систем технологического управления электротехническими объектами: повреждение кабелей и элементов устройств, неправильное функционирование отдельных устройств.

Анализ таких случаев на действующих подстанциях и станциях показал, что при ударах молнии в молниеприемники, расположенные вблизи кабельных каналов или лотков, происходит пробой изоляции кабелей с земли. В результате перекрытия изоляции импульс перенапряжения распространяется по вторичным цепям системы (например, оперативного тока), вызывая повреждение отдельных элементов устройств.

Амплитудно-частотные характеристики импульсных помех, возникающих в кабелях, изменяются в широком диапазоне и зависят от параметров тока молнии, трассы и длины кабелей, нагрузки на концах кабелей. Частотный спектр изменяется от десятков килогерц до нескольких мегагерц. Амплитуда импульсных помех может составлять от десятков вольт до десятков киловольт. Пример, результатов измерений импульсных помех в цепях напряжения относительно «земли» во время ударов молнии на территории подстанции изображен на рис. 3.10.