Žaibo iškrovos procesai
Žaibas
5. Žaibolaidis
Žaibas – elektros krūvio iškrova tarp debesies ir žemės, ar tarp debesų, tai išdava elektrinių procesų kurie atsiranda, kai debesyse vyksta intensyvus oro judėjimas ir intensyvi vandens garų kondensacija, ko pasėkoje vyksta elektros krūvių pasiskirstymas ir kaupimasis.
Kai debesyje oro temperatūra nukrenta iki vandens užšalimo, vandens lašeliai esantys debesyje pradeda užšalinėti. Užšalimas prasideda nuo išorinio vandens lašelio paviršiaus, kuris pasidengia ledo plutele. Vandens lašelyje esantys teigiami jonai dėl temperatūrų skirtumo pasislenka į lašelio išorę ir ją įkrauna teigiamai, o tuo pačių lašelio centras įsikrauna neigiamai. Kai užšąla ir lašelio centras, dėl vandens plėtimosi, lašelis subyra ir jo teigiamai įkrautas paviršinis sluoksnis su oro srautu nunešamas į viršutinius debesies sluoksnius. Tuo būdu debesies viršutinis sluoksnis įsikrauna teigiamai, o žemutinis – neigiamai. Todėl daugiausia (apie 90%) žaibai į žemę perneša neigiamą potencialą.
Vidutinėse platumose išlydis tarp debesų ir žemės sudaro apie 30 – 40 %
visų išlydžių, kiti vyksta tarp debesų ar debesies skirtingo potencialo sluoksnių.
Kai atmosferos debesų elektrinio lauko stiprumas pasiekia kritinę reikšmę, tai apie 20-24 kV/ cm priklausomai nuo debesies aukščio virš žemės, įvyksta oro jonizacija ir įvyksta iškrova. Kiekvienas linijinis žaibas prasideda nuo pirminių labai laidžių gijų strimerių (jų plitimo greitis 100-1000 km/s), kurie susijungia į vieną laidų kanalą – laiptuotąjį lyderį.
Artėjant lyderiui prie žemės didėja elektrinio lauko stiprumas ir iš aukštų žemės paviršiaus objektų iššoka atsakomasis lyderis turintis priešingą ženklą. Kai lyderio kanalas priartėja prie žemės ar priešpriešinio lyderio iki 25 – 100 metrų, elektrinio lauko stiprumas pasiekia apie 10kV/cm. Šis atstumas pramušamas per keletą mikrosekundžių, jame išsiskiria energija apie 0,5 – 5 MJ, kuri išnaudojama termojonizacijai ir įkaitimui (25-30
tūkst. 0C ) , lyderio jonizuotu kanalu iš žemės į debesį sklinda atbulinio,arba pagrindinio, žaibo impulsas, judantis beveik 0,5 šviesos greičio. Srovė kanale per 5 – 10 μs pasiekia dešimtis ir net šimtus kilo-
amperų, bet po 25 – 200μs nukrenta iki pusės amplitudinės reikšmės.
Labai greitai įkaitus kanalui ore susidaro smūginė banga, kuri savo fronte turi dideli slėgį ir paprastai vadinama griaustiniu.
Paskutinėje žaibo stadijoje, kai kanalu teka didelė srovė, neutralizuojasi debesies krūviai , bei dažnai ant finalinės stadijos srovės užsideda pakartotinių impulsų srovės, kurių metu į žemę išsikrauna likusiu krūvių sankaupos esančios skirtinguose debesies aukščiuose. Pasikartojančių iškrovų lyderiai turi didesni sklydimo greitį, nes juda jau sudarytų kanalu, bet srovės amplitudė mažesnė, ir dėl šių iškrovų mes matome kaip žaibas mirga. Dažniausiai žaibai būna sudaryti iš dviejų – trijų tokių iškrovų, kurios neviršija 0,1 s laiką, bet pasitaiko žaibų iš keliasdešimties iškrovų ir jos gali tęstis iki vienos sekundės.
Perėjimą iš lyderinės stadijos į pagrindinę galima imituoti –
vertikalų neigiamai įkrautas strypas,kuris imituoja žaibo kanalą, užtrumpiname per raktą K su žeme. Tada neutralizacijos banga sklinda į viršų tam tikru greičiu v ir žinodami strypo krūvį σ galime rasti srovės amplitudę : Im= σv . Jei strypas užtrumpinamas per kažkokią varžą R , tai srovė sumažėja ir lygi
Z – ekvivalentinė žaibo kanalo varža
Iš šios formulės matyti, kad žaibo srovė priklauso nuo objekto įžeminimo varžos. Teoriniais tyrimais nustatyta, kad esant maksimalioms žaibo srovėms
Z = 300-600 omų ir tai pakankamai mažai, kad skaičiuojant žaibolaidžius galima nevertinti.
Svarbią reikšmę elektromagnetinio poveikio požiūriu turi žaibo srovės reikšmė ir forma. Tai maždaug aperiodinio impulso formos kreivė, kurią galima charakterizuoti fronto τf ir impulso τi trukme.
Projektuojant žaibolaidžius reikia įvertinti šiluminį ir elektrodinaminį žaibo poveikį. Srovės kvadrato integralas ∫ im2 dt, dar vadinamas veiksmo integralu ar srovės kvadrato impulsu, nustato žaibo srovės mechaninį ir šiluminį poveikį laidininkams.
Visoje mūsų planetoje kiekvieną sekundę įvyksta apie šimtas žaibų.
Žaibavimo intensyvumą, duotoje vietovėje nusako skaičius Dž – kuris charakterizuojamas vidutiniu žaibavimo valandų skaičiumi per metus. Jis mažiausias šiaurinėse platumose ir didėja link ekvatoriaus, kaip pavyzdžiui
Švedijoje – iki 20val., Lietuvoje- 60-80val.,Gruzija- virš 100val.,
Brazilija- 250val., Javos saloje užregistruotas rekordinis žaibavimas –
vidutiniškai 322 dienos per metus(per 4 metų stebėjimus; valandų 2-3
kartus daugiau). Kitas žaibavimo rodiklis – vidutinis žaibo smūgių skaičius į vieną kvadratinį kilometrą per šimtą žaibavimo valandų.
Lietuvoje nsm= 6,7 1/km2 per 100 žaibavimo valandų. Statiniai esantis virš žemės paviršiaus dėl priešpriešinių lyderių surenka žaibus iš aplinkinių teritorijų todėl :
statinio(A-ilgis,m B-plotis,m H-aukštis,m)
Žaibo smūgių skaičius tenkantis 100km elektros perdavimo linijai per
100 žaibavimo valandų:
hat – atramos aukštis f – laido ar lyno įsviris
Kamuolinis žaibas atsiranda kartu su paprastu žaibu netoli nuo jo ir atrodo kaip švytintis ugnies kamuolys. Šios kamuolio diametras dažniausiai Būna 10
– 20 centimetrų (yra duomenų, kad būta 1 – 100cm). Būna raudonos, oranžinės, geltonos ar baltos spalvos. Kamuolinio žaibo šviesos srautas nelabai ryškus, bet ji galima aiškiai matyti dienos šviesoje. Kamuoliniai žaibai paprastai juda horizontaliai kelių metrų per sekundę greičiu, tarsi rieda pasišokinėdami ant žemės nelygumų. Dažnai kamuoliniai žaibai pritraukiami metalinių daiktų (laidai, tvoros, bėgiai) ir juda lygiagrečiai jiems. Pasitaiko kad kamuolinis žaibas juda virš upių vagų. Kamuolinis žaibas tam tikrą laiką gali ir visai nejudėti. Daugelis stebėtojų pastebėjo, kad kamuolinį žaibą lydėjo specifinis kvapas primenantis degančią sierą ar ozoną.
Kamuolinių žaibų gyvavimo laikas – dažniausiai keletas sekundžių, bet pasitaiko ir daugiau minutės. Kamuolinio žaibo išnikimas įvyksta staigiai ir lidimas dideliu sprogimu, po kurio lieka nutraukti laidai, skylės, apdegę paviršiai. Kartais patenka į patalpas, per dūmtakius ar langus.
Tikslaus kamuolinio žaibo ir jo susidarymo paaiškinimo dar nerasta.
Yra keletas hipotezių, pagal vieną iš jų kamuolinio žaibo energijos šaltinis yra jame pačiame, dėl vykstančių cheminių reakcijų (dega gamtinės ar pelkių dujos). Kita hipotezė teigia, kad energiją kamuoliniui žaibui teikiama iš išorės – debesų radiodažninė spinduliuotė sufokusuota į riboto tūrio oro dalį, tai kamuolinis žaibas – plazmos kamuoliukas arba smarkiai jonizuotų dujų kamuolys.
Kamuolinis žaibas labai retas ir trumpalaikis reiškinys, o tai viena pagrindinių priežasčių kodėl šis reiškinys ir šiuo metu dar neištirtas.
Žaibolaidis – įrenginys, saugantis statinius, elektros įrenginius nuo žaibo smūgių. Turi ploną metalinį strypą su smailiu galu (strypinis žaibolaidis ) arba lyną ( lyninis žaibolaidis ), įrengtus virš arba šalia saugomo statinio, ir įžeminimo įrenginio, kurio varža ne didesnė kaip 10 –
40 omų. Žaibo lyderiui artėjant prie žemės atsakomasis žaibo strimeris iššoka iš žaibolaidžio, nes jis aukštesnis ir varža mažesnė už saugomą objektą. Dabartinių metu žaibolaidžiai statomi iki 150 metrų aukščio.
Įžeminimo įrenginiui naudojami vertikalus,dažniausiai vamzdžiai ar horizontalus elektrodai iš plieno juostų 20-40mm ir nemažiau 4mm storio.
Apsaugos zona vieno vertikalaus žaibolaidžio yra maždaug kūgio formos. Jo apsaugos zona apskaičiuojama pagal formules:
Tikimybė to, kad žaibas pramuš apsauginę zoną yra lygi 0,005. Jei priimti tikimybę 0,05 tai apsaugos zona išsiplečia, tokia tikimybė patenkina praktinį panaudojimą, kai saugomų objektų aukštis iki 30 metrų, nes apsauginės zonos pramušimas galimas kas 200 metų.
Žaibolaidžių atraminėms konstrukcijoms dažniausiai panaudojami saugomi objektai, o jei žaibolaidžiai statomi atskirai tai statomos medinės ar gelžbetoninės konstrukcijos. Žaibolaidžiai ir jų konstrukcijos dažomos, kad apsaugoti nuo korozijos.
Naudota literatūra
1. V.V.Bazutkin ”Aukštų įtampų technika” 1986m.
2. Lietuvos tarybinė enciklopedija
3. Elektrinių ir tinklų techninio eksploatavimo taisyklės
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Žaibo susidarymo schema: a,b – lyderio stadijos, c – pagrindinio kanalo susidarymo stadija;
1 – debesys, 2 – strimeriai, 3 – laiptuotojo lyderio kanalas
a
b
c
1
2
3
[pic]