Важным параметром при расчете грозозащиты является крутизна фронта тока молнии, это отношение амплитуды тока молнии Iм к длительности фронта τф (рис. 1.17):

, кА/мкс . (1.39)

Крутизну фронта тока молнии измеряют также с помощью ферромагнитного регистратора, однако схема измерения другая (рис. 1.18). Вблизи молниеотвода располагают рамку с подключенной к ней катушкой L,в которую вставлен ферромагнитный регистратор. Молниеотвод и контур, образованный рамкой и катушкой, имеют между собой взаимоиндукцию М. Регистратор расположен параллельно молниеотводу, поэтому он намагничивается только от магнитного поля катушки и не намагничивается от магнитного поля с напряженностью H, возникающего вокруг молниеотвода.

Рис. 1.17. Крутизна фронта тока молнии

Рис. 1.18. Измерение крутизны фронта тока молнии

Во время прохождения тока молнии i_м через молниеотвод вокруг него возникает переменный магнитный поток, который пронизывает контур, наводя в нем ЭДС:

. (1.40)

ЭДС вызывает протекание тока в рамке I = E/r, где r – сопротивление контура. Это формула справедлива при условии, что постоянная времени контура T = L/r должна быть много меньше длины фронта волны τ_ф. В этом случае индуктивность не будет влиять на фронт волны, т. е. не будет его сглаживать.

В лаборатории магнитометром измеряется остаточная индукция B_r, которая примерно равна B_max,по кривой гистерезиса B_max = μμ₀H_max определяется H_max. Затем по максимальной напряженности магнитного поля H_max, которая была в катушке, рассчитывается ток в рамке I. По закону Ома вычисляется ЭДС E = Ir и далее определяется крутизна a = di_м/dt = E/M. Взаимоиндукция М между молниеотводом и рамкой определяется геометрическими размерами и взаимным расположением. Вся цепочка вычислений выглядит следующим образом:

.

От крутизны фронта тока молнии зависит величина перенапряжений: чем больше крутизна, тем более высокие потенциалы наводятся на проводах ЛЭП.

Вероятность крутизны фронта тока молнии. Массовые измерения крутизны фронта тока молнии позволили построить вероятность появления разряда молнии с крутизны фронта a (рис.1.19).

Для средней климатической полосы России наиболее часты разряды молнии с крутизной фронта 20 кА/мкс, редко – 60 кА/мкс.

Рис. 1.19. Вероятность Pпоявления разряда молнии с крутизной фронтаa

Воздействие тока молнии. Грозовой разряд оказывает электромагнитное, тепловое и механическое воздействие. Электромагнитное воздействие проявляется в индуктировании напряжения на проводах вблизи места удара за счет большого и быстро изменяющегося тока молнии в стадии главного разряда. Эти напряжения могут достигать сотен киловольт.В месте удара молнии в провод ЛЭП происходит выделение тепла. Ток молнии, вызывающий нагревание проводника до температуры плавления или испарения, определяется по формуле

, (1.41)

где S – сечение проводника, мм²; τ_в – длина волны, мкс (см. рис. 1.17); k – коэффициент, для меди k = 300–330, для алюминия k = 200–230.

Механическое воздействие возникает при ударах молнии в деревянные опоры ЛЭП, вода в древесине вскипает, испаряется, и опора разрушается.

Полярность разряда. Полярность разрядаизмеряется с помощью клидонографа (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Клидонограф и фигуры Лихтенберга

Между электродами игла – плоскость размещена стеклянная фотографическая пластина. Вся система помещена в светонепроницаемый футляр. Игла через делитель напряжения подключена к молниеприемнику. Во время удара молнии в молниеприемник, под воздействием напряжения в слое воздуха у иглы возникают ионизационные процессы, сопровождающиеся свечением. После проявления фотографической пластины выявляются характерные фигуры, так называемые фигуры Лихтенберга.

Форма фигуры зависит от полярности. При положительной полярности иглы фигура Лихтенберга имеет разветвленное строение, так как положительные ионы отталкиваются от иглы, образуя стримеры, которые затухают по мере удаления от иглы. При отрицательном напряжении на игле фигура имеет вид звездочки, так как положительные ионы стягиваются к игле, тем самым экранируя ее отрицательный заряд, что мешает распространению стримеров от иглы.

С увеличением напряжения увеличивается площадь фигуры из-за повышения интенсивности ионизации. При равных напряжениях площадь положительной фигуры будет больше. Напряжение на игле не должно быть более 20 кВ, в противном случае стеклянная пластина пробьется.

Интенсивность грозовой деятельности. Интенсивность грозовой деятельности характеризуют числом грозовых дней в году n_д либо числом грозовых часов в году n_ч. Число грозовых дней в году определяется по данным метеорологических станций. В настоящее время построена подробная карта грозовой деятельности на европейской части России. Число грозовых дней в году в средней полосе России – 20, в пустынях и в тундрах – 5, в южных районах – до 35, в тропических(некоторые районы Африки) – от 100 до 140. Средняя продолжительность грозы составляет 1,5 часа. Продолжительность гроз в течение года определяет количество разрядов молнии в единицу поверхности земли. В России каждый квадратный километр поверхности поражается в среднем 2–3 раза в год.

Грозы бывают тепловые и фронтальные. Фронтальные возникают при перемещении масс холодного и теплого воздуха вдоль поверхности земли (рис. 1.21), холодный воздух с севера подтекает под теплый воздух и вытесняет его. После таких гроз устанавливается холодная погода. В том случае, если теплый воздух движется с юга, он смещает холодный воздух на север, на фронте идут грозы. После грозы устанавливается теплая погода.

Фронт гроз как при движении с севера на юг, так и с юга на север имеет значительную протяженность и перемещается на большие расстояния, т.е. фронтальные грозы охватывают значительные поверхности земли. В этот заключается их опасность.

Рис. 1.21. Фронтальная гроза

Тепловые грозы возникают при вертикальной конвекции теплого влажного воздуха. Такие грозы менее опасны, так как они локальны и для них характерны разряды между облаками, в то время как для фронтальных гроз характерны удары молнии в землю.