1.1.9. Блискавка

 

Блискавка – як форма газового розряду. Грандіозною формою газового іскрового розряду є блискавка. Вона являє собою лідерний розряд, при якому в якості електродів розрядної системи виступають заряджена хмара й Земля або дві заряджених хмари. Для утворення блискавки, як і здійснення будь-якого розрядного процесу, необхідна наявність електричного поля. Електричне поле в атмосфері Землі виникає в результаті утворення й просторового поділу позитивних і негативних зарядів за рахунок висхідних і спадних потоків у повітрі. Якщо поле між хмарами або між хмарою й землею досягає значення, достатнього для пробою повітря, відбувається розряд. При гарній погоді напруженість електричного поля в поверхні Землі в середньому становить 100…150В/м. Поверхня Землі заряджена негативно, а іоносфери – позитивно. Значення питомого опору повітря на поверхні океану перебувають у межах –  Ом·м, тому щільність струму в атмосфері досить мала – 3·10–12 А/м.

Електризація в грозовій хмарі. Перша наукова гіпотеза утворення грозової хмари була сформульована М.В. Ломоносовим у далекому 1753р. Відповідно до цієї теорії, що актуальна й донині, грозова хмара утвориться в процесі швидкого переміщення повітря у вертикальному напрямку й конденсації вологи, що втримується в ньому, при його охолодженні. Краплі води, що містяться в хмарі, поляризуються в електричному полі Землі і являють собою диполі. Так як електричне поле спрямоване до Землі, то на нижніх частинах крапель накопичується позитивний, а на верхніх - негативний заряд. При падінні важких крапель позитивні іони повітря відштовхуються, а негативні іони захоплюються такими краплями. Тому краплі виявляються зарядженими негативно. Дрібні краплі, що захоплюють висхідним потоком, навпаки, заряджаються позитивно. У результаті нижня частина хмари виявляється зарядженої негативно, а верхня - позитивно. Тому грозову хмару можна представити у вигляді великого диполя із зарядом, рівним приблизно 25Кл. Вимірювання показали, що центр позитивного заряду грозової хмари знаходиться на висоті 2...3 км, де температура становить від 0 до -20 °С.

Грозовий розряд. Для виникнення грозового розряду необхідно, щоб напруженість електричного поля в деякій області досягла декілька кіловольт на сантиметр. Залежно від того, де виникає вказана напруженість, розрізняють два види блискавки – спадна й висхідна. Якщо напруженість має місце усередині хмари, то виникає внутрішньохмарний розряд або розряд на Землю – спадна блискавка. Якщо напруженість поля сильно спотворюється на поверхні Землі, наприклад високими башнями або антенами, то виникає блискавка, що розвивається від Землі до хмари – висхідна блискавка. Світловий спалах блискавки триває в середньому 200мс. Вона складається з декількох імпульсів по 10 мс із інтервалами приблизно по 40 мс. Кожен імпульс починається із проростання від хмари до Землі лідерного каналу.

V3

 
Світиться канал слабко, за винятком головної частини. Лідер переносить негативний заряд (з негативної хмари), при цьому тече струм порядку 100 А. По мірі наближення до Землі канал починає розгалужуватися, шляхи віток мають зиґзаґоподібний характер. Коли основний лідер досягає Землі, по його шляху з величезною швидкістю порядку 0,1–0,3 швидкості світла поширюється яскраво освітлений  канал – зворотна хвиля. Це явище називається зворотним ударом або головною стадією блискавки. Струм блискавки при цьому досягає максимальної величини порядку 200 кА. Саме із цим струмом зв'язані небезпечні впливи блискавки, що викликають перенапруги в лініях електропередач.

Від тепловиділення в розрядному каналі блискавки підвищується тиск, що служить джерелом ударної хвилі. Ударна хвиля переходить в акустичну, котра сприймається як грім. При розряді блискавки виділяється енергія на рівні »109…1010Дж, що відповідає енергії вибуху порядку декількох тонн вибухової речовини.

 /

а                  б                 у                г

Рис. 1.9. Схема розряду блискавки: а – перший лідер іде до землі зі швидкістю v1;
б – хвиля зворотного удару йде нагору зі швидкістю v2; в – відбувся
внутрішньохмарний пробій від каналу зворотного удару на ліву частину хмари;
г – другий лідер рухається зі швидкістю v3 по частковій плазмі, що розпалася,
іскрового каналу

Блискавка як джерело грозових перенапруг. При ударі блискавки в лінію електропередач на проводах створюється висока напруга відносно Землі, під дією якого в обидва боки від місця удару уздовж лінії поширюються хвилі перенапруг. Атмосферні перенапруги разом з робочою напругою впливають на ізоляцію устаткування й можуть приводити до виходу його з ладу. Струм блискавки, що протікає через уражений об'єкт, характеризується максимальним значенням , середньою крутістю фронту a:

                                                           (1.28)

і тривалістю імпульсу tі, рівної часу зменшення струму до половини максимального значення. Інтенсивність грозової діяльності прийнято характеризувати числом грозових днів у році або загальній тривалості гроз у годинах. Число грозових днів або годин у році визначається на підставі багаторічних спостережень метеорологічних станцій. Так, наприклад, установлено, що в районах із числом грозових днів у році n = 30 у середньому 1 раз в 2 роки уражається 1 км2 поверхні Землі. Таким чином, середнє число розрядів блискавки на 1 км2 поверхні Землі за одну грозову годину дорівнює 0,066. Такого роду дані дозволяють оцінити частоту ураження блискавкою різних енергетичних об'єктів.

Удари блискавки в наземні об'єкти часто супроводжуються пожежами й механічними руйнуваннями. Засоби захисту від блискавки (блискавковідводи, заземлювачі) повинні витримувати удари блискавки найбільшої інтенсивності. Для цього необхідно визначити кількість тепла, що виділяється в провіднику при ударі блискавки, і температуру, до якої при цьому нагрівається провідник:

                                                 (1.29)

де Iср – середній струм багаторазової блискавки, кА; qк – заряд, перенесений у Землю під час к-го розряду, Кл; r – активний опір провідника, Ом.

Температура t, до якої нагрівається провідник, визначається як

                                                             (1.30)

де s – перетин провідника, м2; l – довжина провідника, м; c – питома теплоємність, кДж/(кг о С); g – питома маса провідника, кг/м3.