Почему возникает молния и как это объяснить ребёнку

Где находится мировая столица грома?

Во множестве мест, кроме экватора, часто в небе сверкает и грохочет гром. Но особенное место, не похожее на другие.

На озере Маракайбо в Венесуэле ежегодно случается в среднем 250 вспышек на 247 акров (квадратный километр). Это природное явление известно, как молния Кататумбо или Маяк Маракайбо. Место, где это озеро встречается с рекой Кататумбо, каждый год насчитывается около 260 штормовых дней.

Озеро Маракайбо занесено в Книгу рекордов Гиннеса за самую высокую концентрацию молний с громом. В октябре здесь каждую минуту можно увидеть до 28 вспышек.

В городе Тороро в Уганде насчитывается 251 грозовой день.

На земном шаре одновременно происходит до 1800 гроз.

Есть районы, где они не редко встречаются в России. Например, Медведицкая гряда в Поволжье, -самое грозовое место страны.

В умеренных широтах России во время сильной грозы за 1 час отмечается до 500 молний.

Гроза – это чудо природы, свершающееся в основном во влажном климате. Однако ее возможно увидеть практически повсюду в мире.

Молния — это статический удар от нарастания напряжения в атмосфере. Гром — это гулкий звук, издаваемый при ударе молнии.

Удары электромагнитного поля

Удары электромагнитного поля проявляются через электромагнитную индукцию, при которой меняющееся магнитное поле создает электрический ток в проводящих материалах. Это может вызывать повреждения и сбои в электронных и электрических устройствах, таких как компьютеры, телефоны, радио и другие устройства, подключенные к электросети.

Удары электромагнитного поля также могут вызывать перенапряжение в электрических сетях и системах. Это может привести к повреждению и выходу из строя электрического оборудования, электропроводки и электроники. Особенно чувствительны к удару электромагнитного поля системы связи, системы управления и автоматические системы.

Для защиты от ударов электромагнитного поля используются различные технические решения, такие как экранирование электрических устройств от внешнего магнитного поля, заземление, установка громоотводов и другие методы. Однако, при сильном ударе молнии ни одна система защиты не может обеспечить абсолютную защиту от всех возможных последствий.

Молнии в верхних слоях атмосферы

Высота образования традиционных молний не превышает 16 км. Но молнии появляются и выше в атмосфере. Обнаруженные в 1989 г. на высоте около 100 км конусообразные вспышки с диаметром основания до 400 км ученые назвали эльфами. А спустя шесть лет, в 1995 г., был зафиксирован и описан еще один вид молний — джеты. Эта более живучая разновидность молний представляет собой синие трубчатые конусы высотой около 50 км.

Гроза в Буэнос-Айресе, столице Аргентины

Существуют также молнии, бьющие из грозового облака вверх. Они являются спутниками практически любой грозы, но образуются на высоте от 50 до 130 км, поэтому с земли видны слабо. Такие молнии, открытые около 20 лет назад, исследователи назвали спрайтами.

Спрайты, джеты и эльфы — настоящая загадка для ученых. Об этих явлениях почти ничего неизвестно, поскольку исследовать их практически невозможно.

Распределение различных типов молний в атмосфере по высотам

Основные факторы, влияющие на силу напряжения

Напряжение при прямом ударе молнии может оказывать существенное воздействие на различные объекты. Оно зависит от нескольких основных факторов:

Интенсивность молниевого разряда. Чем сильнее разряд, тем выше будет напряжение. Интенсивность молнии зависит, в частности, от количества ионов, перемещающихся во время разряда. Чем больше ионов, тем больше энергии будет выделяться при разряде, и, соответственно, тем выше будет напряжение.
Расстояние от места удара. Напряжение уменьшается с увеличением расстояния от места удара. При прямом контакте с молнией напряжение будет максимальным, а с увеличением расстояния оно будет постепенно уменьшаться.
Проводимость и сопротивление объекта. Сопротивление материала и проводимость объекта влияют на распределение напряжения. Материалы с низким сопротивлением будут представлять меньшее сопротивление для тока, и, следовательно, напряжение будет распределяться между ними.
Форма и геометрия объекта. Форма и геометрия объекта могут влиять на силу напряжения, особенно в случае, когда они могут вызвать концентрацию тока в определенных областях. Например, острые края или концы предмета могут стать «точками» концентрации тока, что может привести к повышенному напряжению.

Учитывая эти факторы, важно принимать соответствующие меры предосторожности и применять защитные меры для минимизации рисков при прямом ударе молнии. Это может включать в себя установку молниеотводов, заземление объектов и соблюдение правил безопасности во время грозы

Виды молний

Виды молний – это предмет отдельного исследования. Учёным известно несколько форм этого явления.

При определении разновидности в расчёт берутся высота образования молнии, характер разряда, форма и прочие критерии.

Линейная (туча-земля)

Линейная молния – это самая распространённая разновидность данного явления. Образуется по классическому принципу из-за разницы электрических зарядов верхней и нижней части облака.

Здесь всё происходит по принципу центрального канала, который был описан ранее. На финальном этапе такая молния обязательно встречается с землёй или водой.

Земля-облако

Если объект расположен на большой высоте (мачта корабля, телеграфный столб, дымоход и пр.) он как бы «приманивает» молнию.

Это происходит из-за накопления на нём электростатического заряда. В результате между нижней частью тучи и выступающим предметом как бы «проскакивает» искра, т.е. молния.

Облако-облако

Вопреки распространённому мнению, большинство молний бьёт не в землю, а между облаками.

Это происходит потому, что тучи, расположенные недалеко друг от друга, имеют разные электрические заряды.

Горизонтальная

Во многом схожа с разновидностью «облако-земля». Главное различие – заряд не достигает поверхности грунта.

Одна из самых опасных вариаций. Вспышка здесь распространяется в разные стороны. Чтобы образовалась такая молния, достаточно небольшой грозовой тучи.

Ленточная

Ленточная молния – это зрелищное, но не менее опасное явление. Образуется в том случае, если несколько каналов начинают бить в землю одновременно.

При этом удар происходит на параллельных направлениях. Точная причина такого поведения зарядов неизвестна до сих пор. Однако большинство учёных связывают это явление с сильным ветром, который расширяет область распространения частиц.

Чёточная

Известна также под наименованием «Пунктирная». Это очень редкое и малоизученное явление.

При нём вспышка распространяется не сплошным потоком, а чередой мелких линий. За ней часто идёт стандартная молния.

Шторовая

Сопровождается негромким гулом. Причины образования неизвестны.

Главная особенность – расположение над облаками (а не под ними, как происходит с большинством других разновидностей). Характеризуется широкой полосой, состоящей из множества световых линий, которые возникают одновременно.

Интересный факт! Впервые шторовая молния была описана только в 1994 году.

Спрайт

Одна из самых «высотных» разновидностей (50-130 км против обычных 16 км). Внешне напоминает полярное сияние.

Состоит из электрических разрядов холодной плазмы. Отличительная особенность – бьёт не сверху вниз, а наоборот.

При этом вспышка быстро исчезает, что затрудняет изучение этого явления. Да и сами разряды расположены выше облаков. Наблюдать за ними с земли можно только при особых погодных условиях.

Эльф

Ещё одна высотная разновидность. Характеризуется как конусообразная вспышка ярко-красного цвета, диаметром до 400 км и высотой до 100 км.

Она быстро исчезает. О таком явлении известно только то, что оно образуется в верхних слоях грозовых облаков.

Джет

Конусовидные молнии насыщенного синего цвета. Отличаются колоссальной длиной.

Их концы могут достигать нижних слоёв ионосферы. Разряды быстро исчезают, что затрудняет наблюдение за ними.

Вулканическая

Редкое и зрелищное явление. Точные причины образования неизвестны.

Выдвигается версия, что молнии возникают из-за насыщенности пепла и магмы электрическими зарядами, которые постоянно сталкиваются друг с другом.

Огни святого Эльма

Относятся к молниям посредственно, т.к. по сути – это простой электрический разряд, который формируется на оконечностях острых предметов (мачты, ветки деревьев, вершины скал и пр.).

Явление указывает на высокую концентрацию заряженных частиц в воздухе.

Интересный факт! К огням святого Эльма очень трепетно относились моряки времён парусного флота. Кто-то считал их предвестником сильного шторма (утверждение имеет под собой научные основания), для других это был верный признак надвигающейся беды. Третьи напротив, считали это хорошим знаком (то что святой Эльм благословляет корабль). В некоторых флотах в эту примету матросы верят до сих пор.

Шаровая

Одно из самых загадочных явлений на Земле. Учёными установлено, она представляет собой сгусток плазмы, который свободно парит в воздухе.

Но из-за чего он образуется и что влияет на траекторию его движения, научные сотрудники не могут понять и в 21 веке.

Ясно лишь одно – предсказать появление и перемещение шаровой молнии с помощью современных приборов не представляется возможным.

Интересные факты

Существует немало интересных и шокирующих фактов, связанных с этим природным явлением:

поверхности земли достигает только четверть разрядов;
шанс смертельного исхода от попадания молнии всего 1 к 2 миллионам, столько же составляет риск умереть от падения с кровати;
самый длинный разряд был зафиксирован в 2007 году и его протяженность составила 321 км;
самая продолжительная молния длилась 7.74 секунды;
молнией вызывается около 10 тысяч лесных пожаров ежегодно;
в среднем, по всему миру, от попадания молнии погибает около 3 тысяч человек;
самой распространенной причиной попадания молнии в человека является факт беседы во время грозы по мобильному телефону;
70% людей, пораженных молнией, выживают. Известно, что в американца Роя Селливана грозовой разряд попал семь раз и он после этого остался жив;
срок жизни шаровой молнии составляет 10 секунд, а вероятность увидеть ее хотя бы один раз в жизни сопоставим 1:10000;
подобное явление наблюдается не только в земной атмосфере. Грозы и вспышки также возникают на юпитере, Сатурне, Уране и Венере.

Понимание того, как в грозовых тучах образуется молния и что она из себя представляет поможет относиться к этому явлению без пренебрежения. При неправильном поведении во время грозы молнии несут прямую опасность здоровью и жизни человека

Потому важно не забывать вовремя выключить мобильный телефон и постараться найти подходящие убежище на время буйства стихии

Полезные советы
Схемы для подключения
Принципы работы устройств
Главные понятия
Счетчики от Энергомера
Меры предосторожности
Лампы накаливания
Видеоинструкции для мастера
Проверка мультиметром

Опасность грозовых разрядов

Такое явление, как гроза, которая часто сопровождается молнией, несет в себе опасность не только для людей и животных, но и для объектов, антропогенного и природного характера. Чтобы устранить опасность разряда атмосферного электричества и обеспечить безопасность, используются меры, которые называются защитой от молниезащиты.

Мгновенное нагревание токоведущих конструкций происходит при прямом ударе молнии. Они нагреваются до температуры плавления или даже испарения. Если в край металлического резервуара попадет прямой удар молнии, то выделится такое количество тепла, которого будет достаточно для оплавления стального листа толщиной $4$ мм.

В результате разности потенциалов на металлических частях оборудования, трубопроводах могут возникнуть вторичные проявления молнии, что является следствием электромагнитной и электростатической индукции от прямого её удара.

Получи помощь с рефератом от ИИ-шки

ИИ ответит за 2 минуты

От вторичных воздействий молнии защите подлежат здания и сооружения $I$-й и $II$—й категории. В воздушном пространстве при разряде молнии образуется магнитное поле. Со временем оно изменяется. В металлических конструкциях, трубопроводах, электрических проводниках это поле индуцирует электродвижущую силу. Электрический ток в замкнутых конструкциях вызывает их нагрев, а в незамкнутых, проходящих на поверхности земли, электромагнитная индукция вызывает искрение.

Довольно большое число пожаров ёмкостей с нефтепродуктами – цистерн и резервуаров – происходит в результате вторичного проявления молнии от искр, генерируемых в этих резервуарах.

Электростатическая индукция. В наземных объектах грозовой тучей индуцируются электрические заряды, по величине они равны зарядам облака, но противоположны по знаку. Индуцируются электростатические заряды на объектах, которые хорошо изолированы от земли:

Это могут быть металлические крыши домов;
Провода воздушных линий связи;
Водопроводные и канализационные трубы;
Какие-либо заземленные конструкции.

Замечание 1

В обязательном порядке все металлические проводящие элементы зданий и сооружений заземляют. Это делается для того, чтобы вследствие электростатической индукции, внутри и снаружи зданий не возникало между оборудованием разности потенциалов.

Физическая природа молнии

Как объясняют происхождение молнии? Система туча-земля или туча-туча представляет собой своеобразный конденсатор. Воздух играет роль диэлектрика между облаками. Нижняя часть облака имеет отрицательный заряд. При достаточной разности потенциалов между тучей и землей возникают условия, в которых происходит образование молнии в природе.

Ступенчатый лидер

Перед основной вспышкой молнии можно наблюдать небольшое пятно, движущееся от тучи к земле. Это так называемый ступенчатый лидер. Электроны под действием разности потенциалов, начинают двигаться к земле. Двигаясь, они сталкиваются с молекулами воздуха, ионизируя их. От тучи к земле прокладывается как бы ионизированный канал. Из-за ионизации воздуха свободными электронами электропроводность в зоне траектории лидера существенно возрастает. Лидер как бы прокладывает путь для основного разряда, двигаясь от одного электрода (тучи) к другому (земле). Ионизация происходит неравномерно, поэтому лидер может разветвляться.

Обратная вспышка

В момент, когда лидер приближается к земле, напряженность на его конце растет. Из земли или из предметов, выступающих над поверхностью (деревья, крыши зданий) навстречу лидеру выбрасывается ответный стример (канал). Это свойство молний используется для защиты от них путем установки громоотвода. Почему молния бьет в человека или в дерево? На самом деле ей все равно, куда бить. Ведь молния ищет наиболее короткий путь между землей и небом. Именно поэтому во время грозы опасно находиться на равнине или на поверхности воды.

Когда лидер достигает земли, по проложенному каналу начинает течь ток. Именно в этот момент и наблюдается основная вспышка молнии, сопровождаемая резким ростом силы тока и выделением энергии. Здесь уместен вопрос, откуда идет молния? Интересно, что лидер распространяется от тучи к земле, а вот обратная яркая вспышка, которую мы и привыкли наблюдать, распространяется от земли к туче. Правильнее говорить, что молния идет не от неба к земле, а происходит между ними.

Почему молния гремит?

Гром возникает в результате ударной волны, порождаемой быстрым расширением ионизированных каналов. Почему сначала мы видим молнию а потом слышим гром? Все дело в разности скоростей звука (340,29 м/с) и света (299 792 458 м/с). Посчитав секунды между громом и молнией и умножив их на скорость звука, можно узнать, на каком расстоянии от Вас ударила молния.

Нужна работа по физике атмосферы? Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

История изучения

Наблюдать молнию люди могли еще с древних времен, но длительное время этому явлению не было объяснения. Изначально считалось, что вспышки в небе – результат деятельности богов. Еще древнегреческие философы подметили, что молния поражает высокие объекты.

Значимый вклад в изучение молнии сделали мореплаватели. В открытом море электрические разряды оказались еще мощнее. Связь между молнией и электричеством была выдвинута в 17-18 веках, в период развития физики.

Молния в море

Наиболее подробно такую гипотезу описал в своих исследованиях Бенджамин Франклин. В 1750 он представил научный труд, в котором был описан известный нынче эксперимент по определению электрической природы молнии.

Суть опыта состояла в запуске воздушного змея во время грозы. При этом к змею крепился стержень из меди, а к тросу – металлический ключ. Цель эксперимента – доказать электрическую природу молнии.

Опыт Бенджамина Франклина, иллюстрация

Для подтверждения гипотезы молния должна ударить в змея, пройти по тросу и оставить след на ключе. Опыт Франклин провел в июне, позаботившись о громоотводе. Стоит сказать, что он прошел успешно и подтвердил все догадки физика.

В 20-м веке ученые открыли необычные виды молнии (спрайты, джеты, эльфы), которые возникают в верхних слоях атмосферы. В настоящее время исследования молнии проводятся при помощи спутников.

Параметры молнии.

Основными параметрами, характеризующими ток молнии, являются максимальное значение импульса тока, крутизна фронта тока молнии, длительность фронта импульса и длительность полного импульса, которая равна времени уменьшения тока до половины максимального значения. Длительность импульса тока молнии в основном определяется временем распространения обратного разряда от земли до облака и составляет от 20 до 80—100 мкс. Наиболее часто встречающиеся в разрядах молнии длительности фронта импульса тока составляют 1,5—10 мкс. Средняя длительность импульса тока молнии близка к 50 мкс, что и определило выбор стандартного полного грозового импульса напряжения, применяемого для испытания электрической прочности изоляции оборудования, который возникает на изоляции при ударе молнии и который она должна выдерживать без повреждения.

Рис. 17. Форма стандартного грозового импульса напряжения

Для проведения испытаний изоляции грозовыми импульсами напряжения в одинаковых условиях по международным нормам и ГОСТ 1516.2-76 принят стандартный грозовой импульс напряжения, показанный на рис. 17, у которого для удобства обработки лабораторных осциллограмм действительный фронт заменяется эквивалентным косоугольным. Для этого на фронте импульса на уровне 0,3 и 0,9 Umax отмечаются точки, через которые проводится прямая линия. Пересечение этой прямой с осью абсцисс и с горизонтальной прямой, проведенной на уровне Umnx, определяет длительность фронта импульса Тф. Длительность импульса ти определяется, как показано на рис. 17.
Условно параметры стандартного полного грозового импульса напряжения обозначаются 1,2/50, это значит, что фронт импульса Тф=1,2 мкс, а длительность импульса ти= = 50 мкс. Длительности фронта и импульса измеряются в микросекундах 11мкс— 10-6 с). Скорость нарастания тока на фронте импульса называется крутизной фронта и измеряется числом ампер в одну микросекунду.
В табл. 1 приводятся некоторые параметры разрядов молнии для равнинной местности. В горных местностях амплитудные значения токов молнии снижаются примерно в 2 раза по сравнению с амплитудными значениями в равнинных местностях. Это объясняется уменьшением расстояния от земли до облаков. При меньших расстояниях молнии возникают при меньших скоплениях зарядов на облаках, что ведет к снижению амплитудных значений токов молнии.
Как видно из табл. 1, токи молнии, протекающие по опорам линий электропередачи при их поражении, достигают колоссальных величин — свыше 200 кА. Таблица 1

Параметры разряда молнии

Наиболее часто встречающиеся значения

Зарегистрированное значение

наибольшее

наименьшее

Полярность

Отрицательная (до 80%)

—

Токи молнии (амплитудные значения), зарегистрированные в опорах, кА

До 20

200—300

0.5

Заряд, переносимый молнией, Кл

До 20

100

0,5

Длительность импульса тока молнии, мкс

10—30

100

Менее 10

Длительность фронта импульса тока молнии, мкс

1,5—10

80—90

Менее 1

Крутизна фронта импульса тока молнии, А/мкс

5000

50 000

—

Количество импульсов в разряде молнии

2—3

Продолжительность разряда молнии, с

0,2—0,6

1.33

Следует иметь в виду, что грозовые разряды, имеющие токи большого значения, возникают очень редко: токи 100 кА и более составляют всего 2 % общего количества грозовых разрядов, а токи 150 кА и более — 0,5 %. Вероятностное распределение амплитудных значений токов молнии показано на рис. 18, из которого видно, что 40 % всех разрядов имеют токи с амплитудными значениями меньше 20 кА.

Рис. 18. Кривая вероятностного распределения (в процентах) токов молнии

Рис. 19. Кривые вероятностного распределения (в процентах) крутизн фронта импульса тока молнии: 1 — для равнинных районов; 2 — для горных районов

Важным параметром является крутизна фронта импульса тока молнии, от значений которой зависят перенапряжения, возникающие в электроустановках. Крутизна изменяется в широких пределах и имеет слабую тенденцию возрастать при увеличении амплитудного значения тока молнии. На рис. 19 показано вероятностное распределение крутизн фронта импульса тока молнии.

Как защищают самолеты от молнии?

Весь корпус самолета защищен специальной оболочкой, внутри которой содержится экранирующая сетка из металла. Таким образом, при ударе молнией оболочка проводит ток, но предотвращает проникновение электрического разряда внутрь самолета. Находящиеся внутри люди и оборудование остаются в безопасности.

Разрядники на крыле самолета

Также все техническое оснащение самолета оборудовано дополнительной защитой от электрических разрядов. Попадание молнии приходится на нос самолета, разряд продвигается к крыльям и хвосту. Пассажиры и экипаж могут во время удара услышать громкий звук, но так происходит не всегда.

Интересный факт: перед тем, как самолет сдается в эксплуатацию, он проходит тщательную проверку. Один из ее этапов – симуляция попадания молнии.

Сама молния формируется в несколько стадий.

Начальная

«Зародыш» молнии появляется в том месте облака, где скапливается наибольшее количество ионов (частиц с электрическим зарядом). Они образуются из молекул воды и посторонних газов, которые составляют «основу» самого облака.

Что происходит дальше, учёные точно не знают. Она до сих пор остаётся одним из самых загадочных природных явлений.

Выдвигается несколько основных версий:

Согласно первой, высокая концентрация ионов – это следствие разгона свободных электронов, которые сталкиваются с молекулами, имеющими нейтральный заряд.
Вторая группа учёных выдвигает версию, что ионизация частиц грозового облака – это следствие воздействия космического излучения на атмосферу планеты.

Газы, подвергающиеся такому воздействию, становятся хорошими проводниками электричества. Как результат – появление в облаке тока большого напряжения.

Средняя стадия

Ионизация вызывает целую цепочку явлений.

Благодаря воздействию тока в определённой части облака начинается резкое повышение температуры.

Это приводит к образованию новых энергетических частиц, которые начинают распространяться в смежные области. Из-за этого молния «расходится» с огромной скоростью.

Извилистая форма молнии объясняется наличием главенствующего канала. При этом «ветки» с каждым ударом продвигаются всё дальше.

Обратите внимание! Скорость молнии оценивается в 50 тыс. км/с

Всё это приводит к тому, что разряд достигает либо земной поверхности (особенно её выступающих элементов), либо соседней тучи.

Благодаря этому возникает ещё один канал, который и видит большинство наблюдателей с земли.

Его температура может достигать тысяч градусов, что превышает порог плавления большинства металлов. Из-за этого удар молнии и приводит к таким катастрофическим последствиям.

Обратите внимание! Гром – это следствие резкого перепада температуры и давления

Финальная стадия

После того, как по каналу проходит основной поток, скорость движения частиц резко снижается.

В основном это является следствием того, что молния достигает своей крайней точки, т.е. «врезается» в землю или какой-то предмет.

Все это длится десятые доли секунды. Однако молния может за короткое время несколько раз ударить в одно и то же место.

Цвет молнии

Молния может иметь разные оттенки: голубоватый, белый, желтый, оранжевый, красный. Цвет зависит от состава атмосферы. Канал молнии разогревается в 5 раз сильнее Солнца. При такой температуре воздуху свойственны голубые, фиолетовые тона. Поэтому разряды, видимые неподалеку в чистой атмосфере, приобретают синеватое свечение.

Голубоватое свечение молнии – наиболее распространенное

На более значительном расстоянии вспышки становятся белыми, еще дальше – желтеют. Так происходит из-за того, что голубые тона рассеиваются в воздухе. Если в атмосфере много пыли, вспышки приобретают оранжевый цвет.

Капли воды «окрашивают» молнию в красные оттенки. Наиболее редкое явление – создание сложных оптических эффектов за счет высокой концентрации мелких частиц льда в воздухе.

Где молнии бьют чаще всего?

Уже в XXI в. ученые с помощью специального спутника установили самые опасные регионы Земли, где грозы наиболее сильные и частые. Своеобразной грозовой столицей оказалась Аргентина и вся территория к востоку от Анд, где влажный разогретый воздух встречается с сухим холодным.

Но наиболее удивительным оказался тот факт, что в отдельных засушливых регионах северной оконечности Австралии, полуострова Индостан и даже в южных областях Сахары грозы довольно частые гостьи. Таким образом, ученые разрушили устойчивый стереотип, что гроза и молния неразрывно связаны с дождями. Выяснилось, что в наиболее дождливых регионах земного шара бури с грозами случаются чаще, но зато они здесь относительно слабее.

Исследования позволили ученым сделать вывод и о том, что наиболее разрушительные бури и грозы бушуют именно над землей, а не над морями и океанами. К тому же во многих областях грозы — явление чисто сезонное. Они царят летом, а зимой сходят на нет.

Молния может состоять из нескольких десятков разрядов

Лидерная стадия разряда.

В воздушных промежутках длиной в несколько метров или десятков метров проводимость образовавшихся стримеров для развития разряда оказывается недостаточной и по следу одного из стримеров возникает разряд в новой так называемой лидерной форме. Термически ионизированная часть канала стримера называется лидером. Плотность заряженных частиц в канале лидера значительно выше, чем у стримера. Поэтому потенциал головки возрастает и создаются условия для лучшего продвижения стримера и преобразования этого стримера в лидер.

Рис. 9. Схематическое изображение распространения отрицательного лидера в воздухе:
АВ — первая лавина; СД — стример
На рис. 9 показана схема образования отрицательного лидера. Поток электронов движется от отрицательного электрода (катода) к положительному (аноду).
Лавины электронов показаны в виде заштрихованных конусов, а пути вылетевших фотонов — волнистыми линиями.
Внутри движущейся лавины (заштрихованные конусы) воздух ионизируется ударами электронов. Вылетевшие фотоны также ионизируют воздух (в конце волнистой линии). Электроны, получившиеся в результате ионизации молекул воздуха фотонами, дают начало новым лавинам, далеко отстоящим впереди от первой лавины, которые, развиваясь, сливаются в сплошной канал. При этом фотоны имеют скорость 3-1010 см/с, а скорость продвижения электронов на фронте лавины достигает примерно 1,5-107 см/с. Стример развивается быстрее, чем продвигаются лавины электронов. Из рис. 9 видно, что за время, пока первая лавина пройдет путь АВ, в результате фотоионизации образуется канал стримера с повышенной электропроводностью на длине СД. Средняя скорость развития стримера в сторону анода равна примерно 108—109 см/с. При высокой концентрации электронов, т. с. при достаточно большом токе, возникает интенсивная термоионизация в канале стримера. В результате происходит преобразование канала стримера в хорошо проводящий плазменный канал — лидер.
По мере продвижения лидера в глубь промежутка на конце лидера появляются новые стримеры, которые затем также превращаются в лидер. Постепенное продвижение отрицательного лидера в длинном промежутке с неравномерным полем показано на рис. 10.
По каналу стримера ТК распространяется лидер 777 (рис. 10,а). Как только завершается преобразование канала стримера ТК в лидер, начинается образование новых лавин. Электроны из этих лавин уходят в глубь промежутка (рис. 10,6) и возникает новый стример КЛ (рис. 10,в). Траектория стримеров носит случайный характер.
При таком механизме развития разряда в длинных воздушных промежутках лидер может перекрывать большие расстояния при весьма небольших средних напряженностях поля — порядка 1—2 кВ/см.
Когда лидер достигает противоположного электрода, заканчивается лидерная стадия разряда и начинается стадия главного (обратного) разряда.
В процессе образования главного разряда по лидерному каналу от земли распространяется электромагнитная волна, которая снижает потенциал лидера практически до нуля. Между электродами образуется канал, обладающий очень высокой проводимостью, через который проходит ток разряда.

ВОЛС на ВЛ

Воздушные линии электропередачи давно пользуются популярностью для проведения линий связи. Воздушная прокладка кабелей связи (подвес) — один из самых экономичных способов организации связи, так как можно использовать существующие опоры, не выстраивая отдельной инфраструктуры. Но старые опоры могут не выдержать дополнительной нагрузки от подвеса отдельного кабеля связи. Тем более дополнительный кабель, это дополнительные затраты на материалы, монтаж и обслуживание.

С другой стороны, в предыдущих разделах сделан вывод, что грозозащитный трос на ВЛ необходим. Грозозащитный трос — металлический трос, подвешиваемый в самой высокой точке линии электропередачи над фазными проводами для защиты от ударов молний, естественный элемент ЛЭП. При этом основную часть времени он находится без напряжения, за исключением моментов, когда на него воздействует удар молнии или происходит короткое замыкание с фазным проводом. Поскольку оптическое волокно не подвержено электромагнитному влиянию, возникла идея соединить грозозащитный трос с оптическим кабелем, решив две задачи одновременно – повышение грозоупорности ВЛ и передача данных. На ВЛ по всему миру получил широкое распространение ОКГТ – оптический кабель, встроенный в грозозащитный трос, предназначенный для защиты ВЛ от прямых ударов молнии, а также выполняющий функцию кабеля связи.

Внедрение оптических волокон в конструкцию грозозащитного троса позволяет быстро и эффективно создавать на инфраструктуре ЛЭП высокоскоростные современные линии передачи информации. Использование готовой инфраструктуры обеспечивает дополнительную безопасность линии связи, снижая аварийность – грозотрос висит в самой высокой точке опоры над фазными проводами, находящимися под напряжением, что существенно ограничивает несанкционированный доступ к линии.

Сегодня ОКГТ рекомендован ПАО «Россети» как основной метод организации связи на линиях 110 кВ и выше.

СТО 56947007-33.180.10.172-2014 «Технологическая связь. Правила проектирования, строительства и эксплуатации ВОЛС на воздушных линиях электропередачи напряжением 35 кВ и выше» п.4.2.3: «Для создания ВОЛС на вновь строящихся или реконструируемых и действующих ВЛ наиболее надежным и экономически обоснованным является подвес ОКГТ на предусмотренные в конструкции опор узлы крепления. При этом ОКГТ выполняет функцию ГТ, осуществляя защиту ВЛ от прямых ударов молнии в фазные провода, и обеспечивает наряду с другими мероприятиями грозоупорность ВЛ, а также позволяет осуществлять по встроенному ОК передачу информации».

Таким образом, при применении оптического кабеля, встроенного в грозозащитный трос, сетевые энергетические компании получают не только защиту от ударов молнии, но ещё и могут выступать в качестве операторов связи: оптические волокна и каналы можно сдавать в аренду, продавать или эксплуатировать их самостоятельно.

Более того, если на ВЛ организована плавка гололёда, то оптические волокна, встроенные в грозозащитный трос, могут выступать в качестве распределённых датчиков системы измерения температуры вдоль ОКГТ. Система измерения температуры вдоль ОКГТ ставит целью не допустить ненормативный нагрев ОКГТ в режиме плавки.

При использовании в составе ОКГТ волокна для мониторинга деформации (уложенного без избыточной длины), возможно также определения начала гололедообразования (или иных различных ненормативных воздействий) на отдельных участках трассы с точностью до нескольких метров. Данная система позволяет своевременно и эффективно предотвращать аварийные ситуации, которые могут возникать вследствие тяжелых климатических условий.

Опасность разряда молнии

Превышение рабочего напряжения (перенапряжение) в результате удара молнии может происходить двумя путями. Перенапряжение прямого удара (ПУМ) возникает при непосредственном попадании молнии в подстанцию. Индуцированное же происходит в результате удара в землю вблизи от объекта.

Несмотря на кратковременность воздействия (порядка 100 микросекунд), ущерб может быть весьма значительным. Кроме того что молния обладает колоссальным напряжением, температура разряда в главном канале может достигать 30000°C. Разумеется, разрушения подстанции или ее элементов могут быть весьма значительными.

Перенапряжение на установке может быть вызвано ударом молнии в участок воздушной линии, соединенный с ней. Поэтому грозозащита линий электропередач также относится к комплексу мер по защите подстанций от молний.

В общем случае можно выделить следующие основные причины необходимости оснащения объектов молниезащитными устройствами:

если подстанция находится в отдельном здании, предотвращается его разрушение;
предохранение от разрушения оборудования, что значительно увеличивает срок его эксплуатации;
обеспечение стабильного электроснабжения потребителей подстанцией.

Сюда же можно добавить снижение уровня травмоопасности для персонала. Это значит, что молниезащита подстанции необходима и обязательна в соответствии с действующими требованиями законодательства (ПУЭ).

Эти правила позволяют не защищать лишь подстанции на 20 и 35 кВ, оборудованные трансформаторами мощностью менее 1,6 кВ. Также разрешено не оборудовать молниезащиту подстанций и ОРУ в климатических зонах, где количество грозовых часов не превышает 20.