Л 14 ФизПрир и ОФ АтмосфЭлектр 2013

Г.Ф. Несоленов. Лекция 14. физическая природа и опасные факторы атмосферного электричества. Статическое электричество 2013

поддерживает сохранность облака как целого.

Эмиссия протонов возникает дополнительно при кристаллизации водяных частиц (превращении их в снежинки, градинки), так как при этом выделяется теплота плавления, равная 335 кДж / л. При соударениях капелек, снежинок, градинок работа ветра, в конечном счѐте, приводит к эмиссии протонов, к изменению величины заряда частиц. Следовательно, атмосферное электричество и статическое электричество имеют одинаковую физическую природу. Различаются они масштабом образования зарядов и знаком эмитируемых частиц (электроны или протоны).

О единстве природы атмосферного и статического электричества свидетельствуют опытные данные. Сухой снег представляет собой типичное сыпучее тело; при трении снежинок друг о друга и их ударах о землю и о местные предметы снег должен электризоваться, что и происходит в действительности.

На Крайнем Севере и в Сибири при низких температурах во время сильных снегопадов и метелей электризация снега настолько велика, что происходят зимние грозы, в облаках снежной пыли порой видны синие и фиолетовые вспышки, наблюдается свечение остроконечных предметов, образуются шаровые молнии.

Очень сильные метели иногда заряжают телеграфные провода так сильно, что подключаемые к ним электролампочки светятся полным накалом. Те же явления наблюдаются во время сильных пыльных (песчаных) бурь.

Наличие множества взаимодействующих факторов даѐт сложную картину распределения зарядов атмосферного электричества в облаках и их частях. По экспериментальным данным нижняя часть облаков чаще всего имеет отрицательный заряд, а верхняя часть – положительный. Однако 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 твѐрдом состоянии), размещѐнные в объѐме нескольких кубических километров. Электрический потенциал грозового облака составляет десятки миллионов вольт, но может достигать одного миллиарда вольт. Однако общий заряд облака равен нескольким кулонам. Основной формой релаксации зарядов атмосферного электричества является молния – электрический разряд между облаком и землѐй или между облаками (частями облаков).

Диаметр канала молнии равен примерно одному сантиметру, а ток в канале молнии составляет десятки килоампер, но может достигать 100 кА, температура в канале молнии равна примерно 250000 °С, продолжительность разряда составляет доли секунды.

Молния является мощным поражающим опасным фактором. Прямой удар молнии приводит к механическим разрушениям зданий, сооружений, скал, деревьев, вызывает пожары и взрывы, является прямой или косвенной причиной

2

Г.Ф. Несоленов. Лекция 14. физическая природа и опасные факторы атмосферного электричества. Статическое электричество 2013

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 воздействием атмосферного электричества.

К вторичному воздействию атмосферного электричества относят: электростатическую и электромагнитную индукции; занос высоких потенциалов в здания и сооружения.

Рассмотрим опасные факторы вторичного воздействия атмосферного электричества. Образовавшийся электростатический заряд облака наводит (индуктирует) заряд противоположного знака на предметах, изолированных от земли (оборудование внутри и вне зданий, металлические крыши зданий, провода линий электропередач (ЛЭП), радиосети и т.п.). Эти заряды сохраняются и после удара молнии. Они релаксируют обычно путѐм электрического разряда на ближайшие заземлѐнные предметы, что может вызвать электротравматизм людей, воспламенение горючих смесей и взрывы. В этом заключается опасность электростатической индукции.

Явление электромагнитной индукции заключается в следующем. В канале молнии протекает очень мощный и быстро изменяющийся во времени ток. Он создаѐт мощное переменное во времени магнитное поле. Такое поле индуцирует в металлических контурах электродвижущую силу разной величины. В местах сближения контуров между ними могут происходить электрические разряды, способные воспламенить горючие смеси и вызвать электротравматизм.

Занос высоких потенциалов в здание происходит в результате прямого удара молнии в металлокоммуникации, расположенные на уровне земли или над ней вне зданий, но входящие внутрь зданий. Под металлокоммуникациями понимают рельсовые пути, водопроводы, газопроводы, провода ЛЭП и т.п.

Занесение высоких потенциалов внутрь здания сопровождается электрическими разрядами на заземлѐнное оборудование, что может привести к воспламенению горючих смесей и электротравматизму людей.

Молния – это искровой разряд статического электричества, аккумулированного в грозовых облаках. В отличие от зарядов, образующихся на производстве и в быту, потенциал электрических зарядов, накапливаемых в облаках, несоизмеримо больше. Поэтому энергия искрового разряда – молнии и возникающие при этом токи очень велики и представляют большую опасность для человека, животных, строений. Молния сопровождается звуковым импульсом

– громом. Сочетание молнии и грома называют грозой.

Гроза – это исключительно красивое природное явление. Как правило, после грозы улучшается погода, воздух становится прозрачен, свеж и чист, насыщен отрицательными ионами, образующимися при разрядах молнии.

Несмотря на это нужно знать, что гроза в определѐнных условиях может представлять большую опасность для человека.

3

Г.Ф. Несоленов. Лекция 14. физическая природа и опасные факторы атмосферного электричества. Статическое электричество 2013

Каждый человек должен знать природу грозового явления, правила поведения во время грозы и методы защиты от молнии.

Гроза – сложный атмосферный процесс, и еѐ возникновение обусловлено образованием кучево-дождевых облаков. Сильная облачность является следствием значительной неустойчивости атмосферы. Для грозы характерен сильный ветер, часто интенсивный дождь (снег), иногда с градом. Перед грозой (за час, два) атмосферное давление начинает быстро падать вплоть до внезапного усиления ветра, а затем начинает повышаться.

Грозы можно разделить на местные, фронтальные, ночные и в горах. Наиболее часто человек сталкивается с местными или тепловыми грозами.

По виду молнии различаются как линейные, жемчужные и шаровые. Жемчужные и шаровые молнии довольно редкое явление в природе.

В связи с тем, что молния характеризуется большими величинами токов, напряжений и температур разряда, воздействие молнии на человека, как правило, завершается очень тяжѐлыми последствиями – обычно летальным исходом.

От удара молнии в мире в среднем ежегодно погибает около 3000 человек, причѐм известны случаи одновременного поражения нескольких человек.

Разряд молнии проходит по пути наименьшего электрического сопротивления. Так как между высоким объектом и грозовым облаком расстояние, а следовательно, и электрическое сопротивление, меньше, то молния, как правило, ударяет в высокие объекты, но не обязательно. Например, если расположить рядом две мачты – металлическую и более высокую деревянную, то молния, скорее всего, ударит в металлическую мачту, хотя она ниже по высоте. Это возможно потому что электропроводимость металла значительно выше, чем у дерева.

Молния также значительно чаще ударяет в глинистые и влажные участки, чем в сухие и песчаные, так как первые обладают большей электропроводностью [1].

Например, в лесу молния действует тоже избирательно, попадая, прежде всего, в такие лиственные деревья как дуб, тополь, верба, ясень, так как в них содержится много крахмала. Хвойные дере вья – ель, пихта, лиственница и такие лиственные деревья как липа, грецкий орех, бук, содержат много масел, поэтому оказывают большее электричес кое сопротивление, и в них молния ударяет реже.

Дерево при ударе молнии расщепляется. Механизм этого следующий: древесный сок и влага на участке прохождения разряда мгновенно испаряются и расширяются, при этом создаются огромные давления, которые и разрывают древесину. Аналогичный эффект, сопровождающийся разлѐтом щепок, может иметь место при ударе молнии в стену деревянного строения. Поэтому нахождение под высоким деревом во время грозы опасно.

4

Г.Ф. Несоленов. Лекция 14. физическая природа и опасные факторы атмосферного электричества. Статическое электричество 2013

Человек может быть поражѐн молнией не только при прямом попадании, которое всегда смертельно.

Опасность представляет и шаговое напряжение, возникающее при растекании в земле тока разряда молнии. Радиус поражающего действия шагового напряжения может достигать 30 метров.

Опасны также перескоки разрядов молнии и индуцированные заряды. Перескоки разрядов происходят от объектов, в которые попала молния,

на объекты, расположенные рядом. Например, может произойти перескок разряда с высокого дерева на человека, стену дома и т.д., если последние расположены рядом с деревом. Таким образом, нахождение человека во время грозы вблизи объектов, чаще остальных поражае мых молнией (высоких деревьев, мачт, высоких металлических предметов больших размеров, глинистых и влажных участков земли), представляет серьѐзную опасность.

Во время грозы находиться в городе менее опасно, чем на открытой местности, так как стальные конструкции и высокие здания хорошо выполняют функцию молниеотводов.

Полностью или частично закрытая электропроводная поверхность образует так называемую камеру Фарадея, внутри которой не может образоваться сколько-нибудь значительный и опасный для человека потенциал. Поэтому пассажиры внутри автомобиля с цельнометаллическим кузовом, трамвая, троллейбуса, вагона поезда находятся во время грозы в безопасности, пока не выйдут наружу или не начнут открывать окна.

Кроме поражения людей и животных молния довольно часто является причиной возникновения лесных пожаров, а также жилых и производственных зданий, особенно в сельской местности. В связи с этим необходимо принимать специальные меры защиты от поражения линейной молнией.

Опасность поражения человека шаровой молнией, прежде всего, связана именно с отсутствием надѐжных методов и правил защиты человека от неѐ. Поведение шаровой молнии непредсказуемо. Она неожиданно появляется где угодно, в том числе в закрытых помещениях. Замечены случаи появления шаровой молнии из телефонной трубки, электрической бритвы, выключателя, розетки, репродуктора. Она достаточно часто проникает в здания через трубы, открытые окна и двери.

Шаровая молния может появиться, не нанеся вреда человеку или помещению, залететь в окно и исчезнуть из помещения через открытую дверь или дымовую трубу, пролетев мимо человека. Всякий контакт с ней приводит к тяжѐлым травмам, ожогам, а в большинстве случаев к смертельному исходу.

Шаровая молния может взорваться. Возникающая при этом воздушная волна способна травмировать человека или привести к разрушениям

5

Г.Ф. Несоленов. Лекция 14. физическая природа и опасные факторы атмосферного электричества. Статическое электричество 2013

различных конструкций в самом здании.

Вспышку молнии человек видит практически мгновенно, так как свет распространяется в атмосфере со скоростью 300000 км / с. Скорость распространения звука в воздухе равна примерно 344 м / с, т.е. примерно за три секунды звук проходит один километр. Таким образом, разделив время в секундах между вспышкой молнии и последовавшим за ней первым раскатом грома, можно определить расстояние в километрах до нахождения грозы. Если эти промежутки времени уменьшаются, то гроза приближается, и необходимо принять меры защиты от поражения молнией.

Молния опасна тогда, когда за вспышкой тут же следует раскат грома, т.е. грозовое облако находится над человеком, и опасность удара молнии наиболее вероятна.

6

Г.Ф. Несоленов. Лекция 14. физическая природа и опасные факторы атмосферного электричества. Статическое электричество 2013

2 ЗАЩИТА ОТ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Эффективным средством защиты от молнии являются молниеотводы.

Воснове молниезащиты путѐм устройства молниеотводов лежит свойство молнии выбирать наиболее высокие и хорошо заземлѐнные металлические сооружения. Молниеотвод состоит из трѐх основных частей: молниеприѐмника, воспринимающего удар молнии, токовода, соединяющего молниеприѐмник с заземлителем, через который ток молнии стекает в землю. По типу молниеприѐмников наиболее распространены стержневые и троссовые молниеприѐмники. По количеству молниеотводы разделяются на одиночные, двойные и многократные.

Вокрестности молниеотвода образуется зона защиты, т.е. пространство, в пределах которого обеспечивается защита строения или какого-либо другого объекта от прямого удара молнии. Степень защиты в указанных зонах составляет более 95 %. Это означает, что из 100 ударов молнии в защищаемый объект возможно менее пяти случаев прямого попадания, остальные удары будут восприняты молниеприѐмником. Зона защиты ограничивается образующими двух конусов, один из которых имеет высоту h, равную высоте молниеотвода, и радиус основания R = 0,75 ∙ h, а другой – высоту – 0,8 ∙h и радиус основания – 1,5 ∙ h (при радиусе основания второго конуса R = h эффективность защиты обеспечивается на 99 %).

Вариант молниезащиты здания с неметаллической крышей показан на рис.

2.1.

Рис. 2.1. Молниезащита здания с неметаллической крышей

Следует помнить, что неправильно сконструированный и изготовленный или неисправный молниеотвод лишь увеличивает опасность поражения молнией,

7

Г.Ф. Несоленов. Лекция 14. физическая природа и опасные факторы атмосферного электричества. Статическое электричество 2013

нежели обеспечивает защиту. Например, если токовод выполнить из проводки небольшого диаметра или плохо его заземлить, возможен перескок разряда на защищаемый объект или пожар из-за разогрева токовода. Таким образом, к изготовлению молниезащиты нужно подходить с высокой степенью ответственности и выполнять еѐ в строгом соответствии с существующими правилами.

Требуемая степень защиты зданий, сооружений и открытых установок от воздействия атмосферного электричества зависит от взрывопожароопасности названных объектов и обеспечивается правильным выбором категории устройства молниезащиты и типа зоны защиты объекта от прямых ударов молнии.

Степень взрывопожароопасности объектов оценивается по классификации Правил устройства электроустановок (ПУЭ) [2]. Инструкция по проектированию и устройству молниезащиты СН 305-77 [3] 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 – не менее 95 %.

По категории I организуется защита объектов, относимых по классификации ПУЭ к взрывоопасным зонам классов В-I и В-II. Зона защиты для всех объектов (независимо от места расположения объекта на территории России и от интенсивности грозовой деятельности в месте расположения) применяется только типа А.

По категории II осуществляется защита объектов, относимых по классификации ПУЭ к взрывоопасным зонам классов B-Ia, B-1б и В-IIа.

Тип зоны защиты при расположении объектов в местностях со средней грозовой деятельностью 10 ч и более в год определяется по расчѐтному количеству N поражений объекта молнией в течение года: при N l достаточна зона защиты типа Б; при N > 1 должна обеспечиваться зона защиты типа А.

Порядок расчѐта величины N показан в нижеприведенном примере для наружных технологических установок и открытых складов, относимых по ПУЭ к зонам класса В-l г, на всей территории России (без расчѐта N) принимается зона защиты типа Б.

По категории III организуется защита объектов, относимых по ПУЭ к пожароопасным зонам классов П-l, П-2 и П-2а.

При расположении объектов в местностях со средней грозовой деятельностью 20 ч и более в год и при N > 2 должна обеспечиваться зона защиты типа А, в остальных случаях – типа Б.

По категории III осуществляется также молниезащита общественных и жилых зданий, башен, вышек, труб, предприятий, зданий и сооружений сельскохозяйственного назначения.

Тип зоны защиты этих объектов определяется в соответствии с указаниями, приведенными в СН 305-77.

8

Г.Ф. Несоленов. Лекция 14. физическая природа и опасные факторы атмосферного электричества. Статическое электричество 2013

Объекты I и II категорий устройства молниезащиты должны быть защищены от всех четырѐх видов воздействия атмосферного электричества, а объекты III категории – от прямых ударов молнии и от заноса высоких потенциалов внутрь зданий и сооружений.

Защита от электростатической индукции заключается в отводе индуцируемых статических зарядов в землю путѐм присоединения металлического оборудования, расположенного внутри и вне зданий, к специальному заземлителю или к защитному заземлению электроустановок; сопротивление заземлителя растеканию тока промышленной частоты должно быть не более 10 Ом.

Для защиты от электромагнитной индукции между трубопроводами и другими протяжѐнными металлокоммуникациями в местах их сближения на расстояние 10 см и менее через каждые 20 м устанавливают (приваривают) металлические перемычки, по которым наведѐнные токи перетекают из одного контура в другой без образования электрических разрядов между ними.

Защита от заноса внутрь зданий высоких потенциалов обеспечивается их отводом в землю вне зданий путѐм присоединения металлокоммуникации на входе в здания к заземлителям защиты от электростатической индукции или к защитным заземлениям электроустановок.

Для защиты объектов от прямых ударов молнии сооружаются молниеотводы, принимающие на себя ток молнии и отводящие его в землю.

Объекты категории молниезащиты I защищают от прямых ударов молнии отдельно стоящими стержневыми, тросовыми молниеотводами или молниеотводами, устанавливаемыми на защищаемом объекте, но электрически изолированными от него.

Отдельно стоящий стержневой молниеотвод (рис. 2.2, а) состоит из опоры 1 (высотой до 25 м – из дерева, до 5 м – из металла или железобетона), молниеприѐмника 2 (стальной профиль сечением не менее 100 мм2), токоотвода 3 (сечением не менее 48 мм2) и заземлителя 4.

9

Г.Ф. Несоленов. Лекция 14. физическая природа и опасные факторы атмосферного электричества. Статическое электричество 2013

Рис. 2.2. Молниеотводы: 1 – опора, 2 – молниеприѐмник, 3 – токоотвод, 4 – заземлитель

Зона защиты молниеотвода представляет собой объѐм конуса, высота которого равна 0,8Нм – для зоны типа А и 0,92Нм – типа Б (Нм – высота молниеотвода).

На уровне земли зона защиты образует круг радиусом rо; для зоны типа А rо

=(1,1-0,002 / 1м) Ам; для зоны типа Б rо = 1,5 / 1м.

Втросовом молниеотводе (рис. 2.2, б) в качестве молниеприѐмника используется горизонтальный трос, который закрепляется на двух опорах. Токоотводы присоединяются к обоим концам 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 возможности: электроразряда между ними (рис. 2.2, в). Кроме того, для предупреждения заноса высоких потенциалов через грунт должно быть

обеспечено безопасное расстояние Sз между заземлителем и металлокоммуникациями, входящими в здание (см. рис. 2.2, а); она определяется

по формуле Sз = 0,5Rн и должно быть не менее 3 м; Rн – импульсное электрическое сопротивление заземлителя.

Импульсное электрическое сопротивление заземлителя для каждого токоотвода на объектах категории защиты должно быть не более 10 Ом. С целью обеспечения этого требования при защите от ударов молнии объектов II категории применяют отдельно стоящие и установленные на защищаемом объекте не изолированные от него стержневые и тросовые молниеотводы. Допускается использование в качестве молниеприѐмника металлические кровли здания или молниеприѐмной сетки (из проволоки диаметром 6-8 мм и ячейками 6×6 мм), накладываемой на неметаллическую кровлю (рис. 2.2, г).

10