Jak powstaje burza? Pioruny i wyładowania atmosferyczne

2024-06-04 Bartlomiej Jaworski

Burza - jak powstaje?

Burze powstają, gdy ciepłe masy powietrza o wysokiej wilgotności przemieszczają się na dużą wysokość. Ruch może powstawać w zależności od typu zjawiska:

Burze termiczne – grunt nagrzewany jest lokalnie przez intensywne promieniowanie słoneczne. Powietrze znajdujące się tuż nad ziemią ogrzewa się i unosi.
Burze frontowe – chłodne powietrze nasuwa się wskutek wtargnięcia zimnego frontu pod masy ciepłego powietrza, wymuszając jego wznoszenie się.
Burze orograficzne – ciepłe warstwy powietrza znajdujące się nad ziemią zmuszone zostają do podnoszenia się przez ukształtowanie terenu

Intensywne wznoszenie mas powietrza powoduje wykształcanie się torów prądów oddolnych z prędkościami pionowymi do 100km/h, które tworzą potężnie spiętrzone chmury kłębiaste o wysokości średnio 5-12km i średnicy 5-10km. Kropelki wody i cząsteczki lodu w chmurze ulegają naładowaniu poprzez elektrostatyczne procesy rozdzielania ładunków takie jak tarcie i rozpryskiwanie.

Co to jest wyładowanie atmosferyczne??

W górnej części chmury burzowej zbierają się cząsteczki z ładunkiem dodatnim, zaś w dolnej ujemnym. Dodatkowo w podstawie chmury znajduje się jeszcze jedno małe centrum czasteczek o dodatnim ładunku. Skąd się bierze? Z wyładowania koronowego pochodzącego od ostro zakończonych przedmiotów na ziemii np. roślin i jest unoszone przez wiatr do góry. Jeżeli w którejś komórce burzowej występują gęstości ładunków przestrzennych wytwarzające pole elektryczne o natężeniu rzędu kilkuset kV/m, dochodzi do wyładowań liderowych (tzw. pilotujących), które rozpoczynają wyładowanie atmosferyczne. Pioruny o kierunku chmura-chmura powodują wyrównanie ładunków między dodatnimi i ujemnymi centrami ładunków chmury i nie trafiają bezpośrednio w żadne obiekty na powierzchni ziemi. Należy pamiętać, że wciąż są zagrożeniem bo niosą ze sobą impulsy elektromagnetyczne LEMP (z ang. lightning electromagnetic pulse), które mogą uszkodzić odbiorniki elektryczne.

Wyładowania doziemne prowadzą do wyrównania ładunków między chmurą a ładunkiem elektrostatycznym na powierzchni ziemi. Można wyróżnić dwa rodzaje wyładowań doziemnych:

Wyładowania odgórne (chmura –ziemia)
Wyładowania oddolne (ziemia – chmura)

W przypadku wyładowań odgórnych wyładowanie prowadzone jest przez lider skierowany do dołu – od chmury do ziemi. Zazwyczaj występują na płaskim obszarze i wśród niskiej zabudowy. Dla piorunów chmura-ziemia charakterystyczne są skierowane do ziemii rozgałęzienia. Większość przypadków to ujemne wyładowania odgórne, w których naładowany ujemnie kanał lidera (lider) przesuwa się od chmury burzowej do ziemi.

Lider ten przyrasta skokowo z prędkością ok. 300km/h o kilkadziesiąt metrów. Wiecie co jeszcze porusza się z taką prędkością? Tak, dokładnie – Porsche Panamera GTS PDK. Choć rzecz jasna jadąc takim autem nie jesteśmy narobić tylu szkód co omawiany lider wyładowania piorunowego… Wracając do burz – Przerwa między skokami wynosi kilkadziesiąt µs. W momencie zbliżania się lidera do ziemi w odległości od kilkuset do kilkudziesięciu metrów podnosi się natężenie pola elektrycznego sąsiadujących z nim elementów na powierzchni ziemi (np. na drzewach lub szczytach budynków). Jest ono tak duże, że przekroczona zostaje wytrzymałość elektryczna powietrza i w stronę lidera wychodzi wyładowanie oddolne, spotykające się później z liderem i wywołujące wyładowanie główne.

Dodatnie wyładowania odgórne mogą powstawać z dolnego obszaru chmury burzowej o dodatnim ładunku. Stosunek polaryzacji wynosi ok. 90% piorunów o ładunku ujemnym do 10% o ładunku dodatnim. Podział ten jest zależny geograficznie.

Na bardzo wysokich, wyeksponowanych obiektach jak turbiny wiatrowe, maszty radiowe, wieże przekaźnikowe, wieże kościelne czy chociażby szczyty górskie – mogą powstawać wyładowania oddolne ziemia – chmura. Cechuje je skierowane do óry rozgałęzienia wyładowania. Dla tych wyładowań potrzebne do wywołania lidera wysokie natężenie pola elektrycznego powstaje nie w chmurze, lecz poprzez zakrzywienie pola elektrycznego na eksponowanym obiekcie. Lider wychodzi z tego punktu i przesuwa się wraz ze swoim kanałem ładunków w kieruku chmury.

Mamy do czynienia z wyładowaniami oddolnymi zarówno o ujemnej jak i dodatniej polaryzacji. W wyładowaniach oddolnych lider przyrasta od wykesponowanego obiektu na powierzchni ziemi w kierunku chmury, dlatego też w wysokie obiekty mogą zostac trafione piorunem wiele razy podczas burzy.

W zależności od rodzaju, wyładowanie składa się z większej liczby wyładowań częściowych. Rozróżnia się przy tym udary krótkie o czasie trwania mniejszym niż 2ms i udary długie o czasie trwania większym niż 2ms. Wyładowania częściowe możemy opisywać też polaryzacją – dodatnią lub ujmeną oraz ich położenie w czasie czyli czy to pierwsze wyładowanie, kolejne czy też nałożone wyładowanie częściowe.

Prądy piorunowe składające się z udarów krótkich i udarów długich nazywamy prądami czynnymi. Co to znaczy? Oznacza to, że obiekty trafione piorunem nie wpływają na te prądy.

Prądy piorunowe możemy opisać poniższymi parametrami:

Wartość szczytowa prądu udarowego I
Ładunek prądu piorunowego Q_flash
Energia właściwa W/R prądu piorunowego
Stromość di/dt narastania prądu piorunowego

Kluczowe parametry prądu piorunowego

Wartość szczytowa prądu piorunowego

Prąd piorunowy w elektrotechnice nazywamy prądem wymuszonym, co oznacza, że traktujemy go jak (prawie) idealne źródło prądu. Przy przepływie prądu piorunowego przez części przewodzące, na podstawie amplitudy prądu i impedancji przewodzących elementów, dochodzi do spadku napięcia na częściach przewodzących. Pewnie wiele osób teraz się zastanawia o co chodzi? A o jedno z podstawowych praw, czyli prawo Ohma! J Które wyraża się wzorem:

Prawo Ohma: U = I x R,

Gdzie w naszym przypadku I to wartość szczytowa prądu piorunowego a R to rezystancja uziemienia

Jeżeli piorun trafi w jednym punkcie w jednorodną powierzchnię przewodzącą, powstaje zjawisko znane jako lej potencjału.

Jeżeli w obrębie działania leju potencjału pojawią się ludzie lub zwierzęta, pojawia się napięcie krokowe. Niebezpiecznym skutkiem napięcia krokowego może być przepływ prądu przez ciało ludzkie o bardzo wysokiej wartości. Im większa przewodność gruntu, tym bardziej płaski kształt ma lej potencjału. Oznacza to mniejsze ryzyko niebezpiecznych napięć krokowych.

Przy wyładowaniu piorunowym bezpośrednio w budynek wyposażony w piorunochron, prąd odprowadzany przez jego elementy powoduje spadek napięcia na rezystancji uziemienia R_E instalacji uziemiającej budynku. Dopóki wszystkie części przewodzące w budynku będące w zasięgu ręki mają ten sam wysoki potencjał, nie ma zagrożenia dla użytkowników. Z tej obserwacji wynika dlaczego obowiązkowe jest wyrównywanie potencjałów w obiekcie, bowiem to właśnie różnica potencjałów warunkuje przepływ prądu, a w konsekwencji powstania niebezpiecznych napięć dotykowych przy uderzeniu pioruna.

Wzrost potencjału instalacji uziemienia na skutek przepływu prądu piorunowego stwarza zagrożenie dla instalacji elektrycznych. Na poniższym rysunku widać, że uziom roboczy Rb znajduje się poza lejem potencjału utworzonym przez wyładowanie piorunowe w instalację elektryczną. Oznacza to, że potencjał Rb nie będzie równy potencjałowi Re uziemienia instalacji elektrycznej odbiorczej. Różnica w tym przykładzie wynosi 1000kV co grozi uszkodzeniem izolacji w instalacji elektrycznej i zasilanych z niej odbiorników elektrycznych.

Stromość narastania prądu piorunowego

Gwałtowny wzrost wartości prądu piorunowego (di/dt) ma bezpośredni wpływ na wielkość indukowanego napięcia do otwartych lub zamkniętych pętli przewodów lub części przewodzących w pobliżu piorunów. Stromość narastania prądu udarowego w pierwszym i kolejnych udarach wykorzystuje się do oszacowania najwyższego indukowanego napięcia w pętlach przewodów.

U = M * di/dt

Gdzie: U to napięcie indukowane [V] ; M to wzajemna indukcyjność [H]; di/dt to stromość narastania prądu piorunowego

Ładunek prądu piorunowego

Ładunek Q_flashprądu piorunowego składa się z ładunku udaru krótkotrwałego Q_short i udaru długotrwałego Q_long.

Ładunek ten jest decydujący dla przemiany energii bezpośrednio w miejscu uderzenia pioruna i we wszystkich miejscach, gdzie prąd piorunowy w kształcie łuku elektrycznego może „przeskoczyć” odstępy separujące. Ładunek prądu piorunowego powoduje wytapianie się elementów urządzenia piorunochronnego trafionych bezpośredio przez piorun. Badania dowodzą, że to ładunek udaru długotrwałego ze względu na dłuższy czas oddziaływania jest w stanie przetopić lub odparować dużą ilość materiałów.

Energia właściwa

Energia właściwa W/R prądu udarowego jest energią rozproszoną przez prąd piorunowy na rezystancji 1Ω. Liczymy ją jako całkę kwadratu prądu piorunowego w czasie trwania wyładowania

Stąd nazywamy energię właściwą impulsem kwadratu prądu udarowego.

Na co wpływa energia właściwa prądu piorunowego? Przede wszystkim to przez nią następuje znaczny wzrost temperatury przewodów, przez które przepływa prądu udarowy piorunowy. Ponadto energia właściwa wpływa na dynamiczne oddziaływanie na siebie przewodów przez które przepływa prąd udarowy.

Obliczenie wielkości nagrzewania się przewodów jest potrzebne na etapie projektowania i doboru urządzenia piorunochronnego, tak aby nie doszło do pożaru lub wybuchu. Zakłada się, że ze względu na krótki charakter zjawiska nie dochodzi do wymiany ciepła z otoczeniem, a cała energia termiczna wydziela się na rezystancji elementów piorunochrona. Dzięki tym danym możemy dobrać rodzaj materiału z którego jest wykonane urządzenie piorunochronne oraz przekroje przewodów.

Podsumowanie

Burze to zjawiska stochastyczne, których rozwój i zachowanie możemy przewidywać do pewnego poziomu. Zjawisko to jest wysoce niebezpieczne i stanowi zagrożenie dla zdrowia i życia ludzkiego, dlatego nie wolno go bagatelizować.

W zakresie instalacji elektrycznych jednym ze sprawdzonych i uznanych środków ochrony są ograniczniki przepięć.

Więcej o tych urządzeniach przeczytasz tutaj:

https://kanalelektryczny.pl/ogranicznik-przepiec-budowa-i-zasada-dzialania/