CC BY
40
УДК 551.594.21(470.6)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОКОВ МОЛНИЕВЫХ РАЗРЯДОВ
© 2011 г. А.Х. Аджиев1, А.А. Аджиева2, Л.В. Думаева3
1Высокогорный геофизический институт, пр. Ленина, 2, г. Нальчик, КБР, 360030, vgikbr@rambler.ru
2Кабардино-Балкарская государственная
сельскохозяйственная академия, Тарчокова, 1а, г. Нальчик, КБР, 360030, info@kbsaa.ru
3Кабардино-Балкарский государственный университет, ул. Чернышевского, 173, г. Нальчик, КБР, 360004, bsk@rect.kbsu.ru
1High-Mountain Geophysical Institute, Lenin Ave, 2, Nalchik, KBR, 360030, vgikbr@rambler.ru
2Kabardino-Balkar State Agriculture Academy, Tarchokov St., la, Nalchik, KBR, 360030, info@kbsaa.ru
3Kabardino-Balkar State University, Chernishevskiy St., 173, Nalchik, KBR, 360004, bsk@rect.kbsu.ru
Для определения параметров тока молнии на Северном Кавказе использованы данные, полученные грозорегистратором LS 8000 Высокогорного геофизического института. Грозорегистратор обеспечивает прием информации о молниях со всей территории Северного Кавказа. Выполнен анализ результатов регистрации временных параметров импульсов токов молний за 2009— 2010 гг. Анализ базы данных позволил найти средние значения амплитуды токов 1тах, времени нарастания Тф и времени спада тс волны тока в каналах молний различных полярностей. На основе базы данных и полученных значений параметров молний различной полярности нами найдены выражения для токов молний методами математической статистики.
Ключевые слова: молния, крутизна тока, амплитуда тока молнии, грозорегистратор, полярность молнии, длительность волны тока.
Data received with using of thunderstorm recorder LS 8000 belonging High-Mountain Geophysical Institute were used in the work for definition of lightning current parameters of Northern Caucasus. Thunderstorm recorder provides reception of the information on lightnings from all territory of Northern Caucasus. The registration results of temporal parameters of lightning current impulses for 2009—2010 were analyzed. The analysis of database has allowed to find average values of amplitude of currents Imax, increase time and recession time Tc of current waves in lightnings channels of different polarity. Using a database received values ofparameters of different polarity lightning and methods of mathematical statistics allowed us to deduce equation for lightnings currents.
Keywords: lightning, steepness of the current, current lightning amplitude, thunderstorm recorder, lightning polarity, current wave duration.
Грозовое облако состоит из воды в различных агрегатных состояниях: водяного пара, кристалликов льда, капелек воды, замерзших капелек воды и градин. Фазовые их превращения и взаимодействия при столкновениях при значительных турбулентностях, больших температурных градиентах и наличии гравитационного поля приводят к разделению электрических зарядов.
Из-за взаимодействия этих элементов возникают заряженные области грозового облака. По современным представлениям [1 - 3], верхняя часть облака заряжена преимущественно положительно, а нижняя -отрицательно. По структуре местоположения основных зарядов грозовое облако представляет собой электрический диполь. Заряженные области имеют диаметр до нескольких километров. Кроме основных зарядов, могут быть небольшие области положительного заряда в зоне выпадения осадков под основанием облака.
Полярность молнии устанавливается по знаку нейтрализуемого заряда. Молния положительна, если нейтрализуется положительный заряд, и отрицательна, если нейтрализуется отрицательный заряд. Чаще
всего молния ударяет в высокие сооружения, особенно выделяющиеся над местностью. В результате ударов молнии возникает множество лесных пожаров, сгорают строения, гибнут люди и животные. Поэтому грозовое электричество - это одна из фундаментальных проблем физики атмосферы.
Одним из важнейших аспектов электродинамики грозового электричества является изучение молниевых разрядов и электрических токов, сопровождающих их развитие. Особый интерес представляет разряды молнии на землю, что обусловлено необходимостью защиты от их воздействия. Как правило, разряд молнии состоит из нескольких импульсов - компонентов. Надежные исследования относятся к токам первой компоненты отрицательной молнии [4 - 6]. Ток удобен для регистрации, так как его фронт занимает несколько микросекунд и при осцилографической записи воспроизводится в деталях. Стилизованный усредненный импульс тока первой компоненты разряда молнии приведен на рис. 1. Знание длительности фронта Тф позволяет вычислить крутизну волны тока Фср = 1м1 Тф . Для расчетов воздействия волны тока на
технические средства важно не среднее значение Фср, а максимальное, определяемое выражением
Ф max = (—)max . dt
Для иллюстрации роли Ф в воздействии тока молнии на технические объекты [5] найдем индуцированную
ЭДС Umax в рамке площадью S = 1 м2, когда она размещена на расстоянии D = 1 м от канала молнии или заземленного проводника, по которому течет ток первого компонента (импульса) молнии (рамка в плоскости, перпендикулярной магнитному полю тока). Даже при небольших значениях Ф max = 3,3 -1010 А / с получаем им =м0SmaxS(2яО)4 = 6,6 кВ, где ¡и0 = 4ж-10 Гн/м -магнитная проницаемость вакуума. I, кА
2D
т, мкс
1000
ТФ
Тс
Те
Рис. 1. Форма импульса тока молнии 1(1) и его параметры:
1м - амплитуда тока молнии; Тф - длительность фронта
волны тока; тс - длительность спада волны тока; тв - длительность волны тока; а - крутизна тока молнии
В случае если вместо рамки будут технические объекты из проводящего материала, проводов и т.д., полученная ЭДС может стать критической для них. Такие величины способны вызвать электрическую искру значительной мощности. Поэтому важно знание аналитических выражений для токов молний разной полярности.
Согласно инструкции [6], принята следующая форма импульса тока молнии (рис. 1). Как правило, при разряде молнии на землю имеет место несколько подобных импульсов (ударов). Согласно исследованиям на Северном Кавказе [7], количество импульсов может доходить до 16.
Импульсы тока последующих компонентов молнии, как правило, существенно отличаются от первой
компоненты. Во-первых, амплитуда токов последующих импульсов меньше, чем предыдущая. Во-вторых, длительность импульса последующих компонентов короче, чем первый импульс. В-третьих, время между импульсами для последующих компонентов уменьшается.
Длительность импульса тока тв так же важна для практической молниезащиты, как и параметры: амплитуда тока 1м и время нарастания волны тока. Продолжительность импульса тв принято характеризовать временем от его начала до момента снижения до половины амплитудного значения 4,7.
Особый интерес к характеристикам молнии (значениям тока молнии и времени их развития) обусловлен проблемами разработки эффективных средств молниезащиты различных объектов, а также технических средств обнаружения их местоположения.
Считается [7], что своевременное обнаружение молниевой активности и слежение за ее развитием в пространстве и во времени позволяет во многих случаях избежать ущерба или существенно снизить его. Так, например, в США для борьбы с местными пожарами широко используется система регистрации параметров молнии и места их возникновения.
Молния является наиболее мощным источником электромагнитных возмущений. Наиболее подверженными воздействию молнии являются линии электропередач, системы навигации летательных аппаратов, легковоспламеняющиеся среды. При эксплуатации систем электроснабжения возможны случаи попадания молнии в воздушные линии, по которым осуществляется передача электричества. Результатом такого воздействия является бегущая волна, распространяющаяся по проводам.
При прямом попадании молнии в провода линии электропередач возможны возникновения значительных перенапряжений в системе электроснабжения, способных вывести ее из строя. Одной из важнейших задач для обеспечения безопасности и надежной эксплуатации оборудования летательных аппаратов, системы навигации является снижение влияния электромагнитных воздействий на работу используемого оборудования до приемлемого уровня. В настоящее время значительно выросли масштабы применения микроэлектронной техники, в которой при рабочем напряжении в несколько вольт элементы цепи крайне чувствительны к электромагнитным возмущениям, инициируемым электромагнитными полями молниевых разрядов.
Основные поражающие факторы молнии определяются следующими параметрами импульса волны тока:
1. Амплитуда тока молнии 1тах.
2. Крутизна волны тока молнии Ф = ^ """
dt
1Ф
где 1тах - амплитуда импульса тока молнии; Тф - время нарастания волны тока - время изменения тока в канале молнии от 0 до 1тах; I - ток ; t - время.
да
3. Удельная энергия импульса тока Ж = 112 dt.
0
4. Нейтрализуемый импульсом разряда молнии
да
электрический заряд Q = 11 (t)dt.
5. Время спада волны тока - 4 - это время, в течение которого ток в канале молнии изменяется от /тах до 0.
6. Длительность волны тока гв.
Для расчетов токов молнии используется выражение /(') = 1тах(е- е^ ) .
Вышеприведенные параметры меняются в зависимости от места, климатических особенностей района и орографии местности. Для их определения используется различные радиотехнические средства и методы расчета.
В данной работе для определения параметров тока молнии на Северном Кавказе использованы данные, полученные грозорегистратором Ь8 8000, установленном в Высокогорном геофизическом институте [8].
Система грозорегистрации, установленная на Северном Кавказе, состоит из четырех грозопеленгато-ров и центрального пункта приема, обработки и архивирования информации.
Каждый грозопеленгатор имеет два сенсора - низкочастотный (ЬБ) и высокочастотный (УНБ).
По данным, получаемым с ЬБ- и УНБ-датчиков, центральный процессор после обработки этих данных выдает следующую информацию о разряде:
- дата и время с точностью 100 нс;
- широта, долгота ^в8-84) (координаты разряда);
- сила и полярность сигнала (тока в канале разряда), кА;
- классификация разрядов на типы облако - земля или внутриоблачный разряд;
- классификация разрядов на положительные и отрицательные;
- время роста сигнала до пикового значения, мкс;
- время распада сигнала от пикового значения до нуля, мкс;
- максимальное значение скорости увеличения сигнала (крутизна тока молнии), кА/мкс.
Грозорегистратор обеспечивает прием информации о молниях со всей территории Северного Кавказа. В настоящее время в России отсутствует аналог такой системы. В России получили реализацию лишь одно-пунктовые системы местоопределения грозовых очагов - грозорегистраторы-дальномеры типа «Очаг-2П». Обладая определенными достоинствами, такие изделия имеют большие погрешности и ограниченную территорию использования.
Анализ базы данных позволил найти средние значения амплитуды токов /тах, времени нарастания Гф и времени спад гс волны тока в каналах молний различных полярностей.
Анализ данных также показал, что для отрицательных молний
1тах=16,8 кА, Гф=11,6 мкс, гс=26,6 мкс. (1)
Для положительных молний
1тах=22,9 кА, Гф=13,3 мкс, гс=22,4 мкс. (2)
Используя базу данных и значения параметров молний различной полярности (1) и (2), мы методами математической статистики получили выражения для токов молний.
Для токов отрицательных молний найдена функция приближения:
/ (,) = с . 1 • е-1' , (3)
отриц V / 1 ? V /
где С1=0,040351, а1 = 4,425217 и Ь1 = 0,416271.
На рис. 2 приведены экспериментальные значения тока молнии отрицательной полярности (кривая 1) и значения функции (3). Имеет место достаточно хорошее совпадение экспериментальных и теоретических значений импульсов токов отрицательной полярности.
-Л
j \
\
/ \
• \ ♦
/ \
« \
/
О 5 10 15 20 25 30 35 40 45
I
-•- Ряд 1 - Ряд 2
Рис. 2. Стилизованная кривая импульса тока первого компонента отрицательной молнии. Ряд 1 - экспериментальные данные; ряд 2 - график функции (3) с параметрами С1 = 0,040351, а1 = 4,425217 и Ь1 = 0,416271
Для токов положительных молний получили функцию приближения
/полож(') = с ■ г"2 • е^-2' , (4)
где С2 = 0,124844, а2 = 3,456659 и Ь2 = 0,283944.
На рис. 3 приведены экспериментальные значения тока молнии положительной полярности (кривая 1) и значения функции (4). Как видно из рис. 3, имеет место достаточно хорошее совпадение экспериментальных и теоретических значений /(/).
//
V
• / г
J
0 5 10 15 ^ 20 25 30 35 40
-•- Ряд 1 - Ряд 2
Рис. 3. Стилизованная кривая импульса тока первого компонента положительной молнии. Ряд 1 - экспериментальные данные; ряд 2 - график функции (4) с параметрами С2 = 0,124844, а2 = 3,456659 и Ь2 = 0,283944
В выражениях (3) и (4) коэффициенты в показателях ехр имеют размерность мкс-1. Размерность численных множителей cf- кА, 1 - мкс.
В работе [9] предложено использовать для расчета первого импульса разряда молнии, приносящего на
землю отрицательный заряд, следующее выражение: I(0 = 10 (е-м - е-р*) +1,е-п.
Параметры I0, а и в выбраны таким образом, чтобы иметь наиболее реальные времена нарастания тока, максимальный ток и время спада тока до половины максимального значения. Параметры 11 и у выбраны так, чтобы получить близкий к реальному промежуточный ток. Авторы [9] предлагают при необходимости в выражение (4) вводить дополнительный член, описывающий непрерывный ток. Предложено использовать следующие параметры для первого импульса, приносящего на землю отрицательный заряд: а = 2,0-104 с1; в = 2,0-105 c-1; 10 = 30 к^ а для после-
дующих импульсов а = 1,4104 в = 6,0106 10 = 10 кA.
Приемлемыми параметрами для промежуточных токов являются у = 1,0 103 11 = 2,5 кA.
Их сравнение с выполненными нами расчетами свидетельствует о хорошем совпадении. При этом следует отметить, что в отличие от ранее предложенных выражений наши значения I(t) получены с учетом знака разряда молнии, что очень важно для понимания физики грозового электричества.
Литература
1. Аджиев А.Х., Куповых Г.В. Атмосферно-электриче-ские явления на Северном Кавказе. Таганрог, 2004. 137 с.
2. Юман М. Молния. М., 1972. 327 с.
3. Malan D.I. Radiation from lightning discharge and its relation to the discharge process // Resent Advances in Atmospheric Electricity. Oxford, 1959. P. 557 - 563.
4. Аджиев А.Х., Богаченко Е.М. Применение радиотехнических средств для оценки используемых в грозозащите параметров разрядов молнии // Электричество. 1990. № 7. С. 18 - 22.
5. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. Физика молнии и мол-ниезащиты. М., 2001. 320 с.
6. Стандарт отраслевой С0-153-34.21.122-2003. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. М., 2004.
7. Раков В.А. Современные пассивные радиотехнические системы местоопределения молний // Метеорология и гидрология. 1990. № 11. С. 118 - 123.
8. Аджиев АХ., Аджиева А.А., Дорина А.Н. Определение параметров молниевых разрядов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Спецвып. Физика атмосферы. 2010. С. 10 - 12.
9. Dennis A.S., Pierce E.T. The Return Stroke of the Lightning Flash to Earth as a Source of VLF Atmospheres // Radio Science. 1964. Vol. 68 D, № 7. P. 777 - 794.
Поступила в редакцию
4 мая 2011 г.
