Молниезащита
ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА И ОПАСНЫЕ ФАКТОРЫ АТМОiЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Атмосферное электричество образуется и концентрируется в облаках тАФ образованиях из мелких водяных частиц, находящихся в жидком и твердом состоянии.
Площадь океанов и морей составляет 71 % поверхности земного шара. Каждый 1 см2 поверхности Земли в теВнчение года в среднем получает 460 кДж солнечной энергии. Подсчитано, что из этого количества 93 кДж/(см*год) расходуется на испарение воды с поВнверхности водных бассейнов. ПодниВнмаясь вверх, водяные пары охлаждаютВнся и конденсируются в мельчайшую воВндяную пыль, что сопровождается выдеВнлением теплоты парообразования (2260 кДж/л). Образовавшийся избыВнток внутренней энергии частично расхоВндуется на эмиссию частиц с поверхности мельчайших водяных капелек. Для отВн
деления от молекулы воды протона (Н) требуется 5,1 эВ, для отделения электрона тАФ12,6 эВ, а для отделения молекулы от кристалла льда достаточно 0,6 эВ, поэтому основными эмитируемыВнми частицами являются молекулы воды и протоны. Количество эмитируемых протонов пропорционально массе часВнтиц. Результирующий поток протонов всегда направлен от более крупных каВнпелек к мелким. Соответственно более крупные капельки приобретают отрицаВнтельный заряд, а мелкие тАФ положиВнтельный. Чистая вода тАФ хороший диэВнлектрик и заряды на поверхности капеВнлек сохраняются длительное время. БоВнлее крупные тяжелые отрицательно заВнряженные капельки образуют нижний отрицательно заряженный слой облака. Мелкие легкие капельки объединяются в верхний положительно заряженный слой облака. Электростатическое притяВнжение разноименно заряженных слоев поддерживает сохранность облака как целого.
Эмиссия протонов возникает дополВннительно при кристаллизации водяных частиц (превращении их в снежинки, градинки), так как при этом выделяетВнся теплота плавления, равная 335 кДж/л. При соударениях капелек, снежинок, градинок работа ветра в коВннечном счете приводит к эмиссии протоВннов, к изменению величины заряда часВнтиц. Следовательно, атмосферное электВнричество (АтЭ) и статическое электриВнчество (СтЭ) имеют одинаковую физиВнческую природу. Различаются они масштабом образования зарядов и знаВнком эмитируемых частиц (электроны или протоны).
О единстве природы АтЭ и СтЭ свиВндетельствуют опытные данные. Сухой снег представляет собой типичное сыпуВнчее тело; при трении снежинок друг о друга и их ударах о землю и о местные предметы снег должен электризоваться, что и происходит в действительности. Наблюдения на Крайнем Севере и в СиВнбири показывают, что при низких темпеВнратурах во время сильных снегопадов и метелей электризация снега настолько велика, что происходят зимние грозы, в облаках снежной пыли бывают видны синие и фиолетовые вспышки, наблюдается свечение остроконечных предметов, образуются шаровые молнии. Очень ;ильные метели иногда заряжают телеграфные провода так сильно, что подк:лючаемые к ним электролампочки светятся полным накалом. Те же явления наблюдаются во время сильных пыльных (песчанных) бурь.
Наличие множества взаимодействующих факторов дает сложную картину распределения зарядов АтЭ в облаВнках и их частях. По экспериментальным данным нижняя часть облаков чаще всего имеет отрицательный заряд, а верхняя тАФ положительный, но может иметь место и противоположная полярность частей облака. Облака могут также нести преимущественно заряд одного знака.
Заряд облака (части облака) образуют мельчайшие одноименно заряженные частицы воды (в жидком и твердом состоянии), размещенные в объеме нескольких км3.
Электрический потенциал грозового облака составляет десятки миллионов вольт, но может достигать 1 млрд. В. Однако общий заряд облака равен нескольким кулонам.
Основной формой релаксации заряВндов АтЭ является молниятАФ электрический разряд между облаком и землей или между облаками (частями облаков). Диаметр канала молнии равен примерно 1 см, ток в канале молнии составляет десятки килоампер, но может достигать 100 кА, температура в канале молнии равна примерно 25 000В°С, продолжительность разряда составляет доли секунды.
Молния является мощным поражающим опасным фактором. Прямой удар молнии приводит к механическим раз-рушениям зданий, сооружений, скал, деревьев, вызывает пожары и взрывы, является прямой или косвенной причиной гибели людей. Механические разрушения вызываются мгновенным превращением воды и вещества в пар высокого давления на путях протекания тока молнии в названных объектах. Прямой удар молнии называют первичным возВндействием атмосферного электричества.
К вторичному воздействию АтЭ относят: электростатическую и электроВнмагнитную индукции; занос высоких поВнтенциалов в здания и сооружения.
Рассмотрим опасные факторы втоВнричного воздействия АтЭ. ОбразовавВншийся электростатический заряд облаВнка наводит (индукцирует) заряд протиВнвоположного знака на предметах, изоВнлированных от земли (оборудование внутри и вне зданий, металлические крыши зданий, провода ЛЭП, радиосети и т. п.). Эти заряды сохраняются и посВнле удара молнии. Они релаксируют обычно путем электрического разряда на ближайшие заземленные предметы, что может вызвать электротравматизм людей, воспламенение горючих смесей и взрывы. В этом заключается опасВнность электростатической индукции.
Явление электромагнитной индукции заключается в следующем. В канале молнии протекает очень мощный и быстВнро изменяющийся во времени ток. Он создает мощное переменное во времени магнитное поле. Такое поле индуцируВнет в металлических контурах электроВндвижущую силу разной величины. В местах сближения контуров между ниВнми могут происходить электрические разряды, способные воспламенить гоВнрючие смеси и вызвать электротравмаВнтизм.
Занос высоких потенциалов в здание происходит в результате прямого удара молнии в металлокоммуникации, распоВнложенные на уровне земли или над ней вне зданий, но входящие внутрь зданий. Здесь под металлокоммуникациями поВннимают рельсовые пути, водопроводы, газопроводы, провода ЛЭП и т. п. ЗанеВнсение высоких потенциалов внутрь здаВнния сопровождается электрическими разрядами на заземленное оборудоваВнние, что может привести к воспламенеВннию горючих смесей и электротравмаВнтизму людей.
ЗАЩИТА ОТ АТМОiЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Требуемая степень защиты зданий, сооружений и открытых установок от воздействия атмосферного электричества зависит от взрывопожароопасности названных объектов и обеспечивается правильным выбором категории устройВнства молниезащиты и типа зоны заВнщиты объекта от прямых ударов молнии.
Степень взрывопожароопасности объектов оценивается по классификаВнции Правил устройства электроустаноВнвок (ПУЭ). Инструкция по проектироВнванию и устройству молниезащиты СН 305тАФ 77 устанавливает три категории устройства молниезащиты (I, II, III) и два типа (А и Б) зон защиты объектов от прямых ударов молнии. Зона защиты типа А обеспечивает перехват на пути к защищаемому объекту не менее 99,5 % молний, а типа Б тАФ не менее 95 %.
По I категории организуется защита объектов, относимых по классиВнфикации ПУЭ к взрывоопасным зонам классов В-1 и В-П (см. гл. 20). Зона защиты для всех объектов (независимо от места расположения объекта на терВнритории СССР и от интенсивности гроВнзовой деятельности в месте расположеВнния) применяется только типа А.
По II категории осуществляетВнся защита объектов, относимых по класВнсификации ПУЭ к взрывоопасным зоВннам классов В-1а, В-16 и В-Па. Тип зоны защиты при расположении объектов в местностях со средней грозовой деяВнтельностью 10 ч и более в год определяВнется по расчетному количеству N пораВнжений объекта молнией в течение года:
при N<=1 достаточна зона защиты тиВнпа Б; при N> 1 должна обеспечиватьВнся зона защиты типа А. Порядок расчеВнта величины N показан в нижеприведенВнном примере. Для наружных технологиВнческих установок и открытых складов, относимых по ПУЭ к зонам класса В-1г, на всей территории СССР (без расчета N) принимается зона защиты типа Б.
По III категории организуется защита объектов, относимых по ПУЭ к пожароопасным зонам классов П-1, П-2 и П-2а. При расположении объекВнтов в местностях со средней грозовой деятельностью 20 ч и более в год и при N> 2 должна обеспечиваться зона заВнщиты типа А, в остальных случаях тАФ типа Б. По III категории осуществляется также молниезащита общественных и жилых зданий ,башен, вышек, труб, предприятий, зданий и сооружений сельскохозяйственного назначения. Тип зоны защиты этих объектов определяетВнся в соответствии с указаниями СН 305тАФ77.
Объекты I и II категорий устройстВнва молниезащиты должны быть защиВнщены от всех четырех видов воздейстВнвия атмосферного электричества, а объекты III категории тАФ от прямых ударов молнии и от заноса высоких поВнтенциалов внутрь зданий и сооружений.
Защита от электростатической инВндукции заключается в отводе индуциВнруемых статических зарядов в землю путем присоединения металлического оборудования, расположенного внутри и вне зданий, к специальному заземлителю или к защитному заземлению электроустановок; сопротивление заземлителя растеканию тока промышВнленной частоты должно быть не боВнлее 10 Ом.
Для защиты от электромагнитной индукции между трубопроводами и друВнгими протяженными металлокоммуниВнкациями в местах их сближения на расВнстояние 10 см и менее через каждые 20 м устанавливают (приваривают) металВнлические перемычки, по которым навеВнденные токи перетекают из одного конВнтура в другой без образования электриВнческих разрядов между ними.
Защита от заноса высоких потенВнциалов внутрь зданий обеспечивается отводом потенциалов в землю вне здаВнний путем присоединения металлокомВнмуникации на входе в здания к заземлителям защиты от электростатической индукции или к защитным заземлениям электроустановок.
Для защиты объектов от прямых ударов молнии сооружаются молниеот-воды, принимающие на себя ток молнии и отводящие его в землю.
Объекты I категории молниезащиты защищают от прямых ударов молнии отдельно стоящими стержневыми, троВнсовыми молниеотводами или молниеотводами, устанавливаемыми на защищаемом объекте, но электрически изолированными от него.
Отдельно стоящий стержневой молниеотвод (рис. 18.5, а) состоит из опоры 1 (высотой до 25 м тАФ из дерева, до 5м тАФ из металла или железобетона), молниеприемника 2 (стальной профиль сечением не менее 100 мм2), токоотвода 3 (сечением не менее 48 мм2) и заземлителя 
4. Зона защиты молниеотвода представляет собой объем конуса, высота которого равна 0,8*5 им для зоны, типа А и 0,92 им тАФ типа Б (им тАФ высота молниеотвода). На уровне земли зона защиты образует круг радиусом Го;
,ля зоны типа А го==(1,1тАФ0,002/1м)Ам, ,ля зоны типа Б Го==1,5/1м.
В тросовом молниеотводе (рис. 18.5, б) в качестве молниеприемника используется
горизонтальный трос, который закрепляется на двух опорах. Токоотводы присоединяются к обоим конВнцам троса, прокладываются по опорам и присоединяются каждый к отдельному заземлителю.
При установке молниеотвода на здании должно быть обеспечено безопасное расстояние Sв по воздуху между токоотводом и защищаемым объектом, исключающее возможность электроразряда между ними (рис. 18.5, в). Кроме того, для предупреждения заноса высоВнких потенциалов через грунт должно быть обеспечено безопасное расстояние Sз между заземлителем и металлокоммуникациями , входящими в здание (см. рис. 18.5, а); оно определяется по форВнмуле Sз==0,5 Rи и должно быть не меВннее 3 м; Rн тАФ импульсное электросопроВнтивление заземлителя.
Импульсное электросопротивление заземлителя для каждого токоотвода на объектах I категории защиты должно быть не более 10 Ом.
Типовые конструкции заземлителей, удовлетворяющие этому требованию, приведены в инструкции СН 305тАФ77.
Для защиты от ударов молнии объектов II категории применяют отВндельно стоящие или установленные на защищаемом объекте не изолированные от него стержневые и тросовые молниеотводы. Допускается использование в качестве молниеприемника металличесВнкой кровли здания или молниеприемной сетки (из проволоки диаметром 6..8 мм и ячейками 6Х6 м), накладываемой на неметаллическую кровлю (рис. 18.5, г).
В качестве токоотводов рекомендуется использовать металлические конструкВнции зданий и сооружений, вплоть до пожарных лестниц на зданиях. ИмВнпульсное сопротивление каждого заземВнлителя должно быть не более 10 Ом, для наружных установок тАФ не более 50 Ом.
Защита объектов III категории от прямых ударов молнии организуется так же, как для объектов II категории, но требования к заземлителям ниже:
импульсное электросопротивление кажВндого заземлителя не должно превышать 20 Ом, а при защите дымовых труб, воВндонапорных и силосных башен, пожарВнных вышектАФ50 Ом.
Вместе с этим смотрят:
МЧСНаводненияНеотложная медицинская помощь при раненияхОгнетушители