Физическая природа и опасные факторы атмосферного электричества

Физическая природа и опасные факторы атмосферного электричества

Атмосферное электричество образуется и концентрируется в облаках — 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 те­чение года в среднем получает 460 кДж солнечной энергии. Подсчитано, что из этого количества 93 кДж/(см*год) расходуется на испарение воды с по­верхности водных бассейнов. Подни­маясь вверх, водяные пары охлаждают­ся и конденсируются в мельчайшую во­дяную пыль, что сопровождается выде­лением теплоты парообразования (2260 кДж/л). Образовавшийся избы­ток внутренней энергии частично расхо­дуется на эмиссию частиц с поверхности мельчайших водяных капелек. Для от­

деления от молекулы воды протона (Н) требуется 5,1 эВ, для отделения электрона —12,6 эВ, а для отделения молекулы от кристалла льда достаточно 0,6 эВ, поэтому основными эмитируемы­ми частицами являются молекулы воды и протоны. Количество эмитируемых протонов пропорционально массе час­тиц. Результирующий поток протонов всегда направлен от более крупных ка­пелек к мелким. Соответственно более крупные капельки приобретают отрица­тельный заряд, а мелкие — положи­тельный. Чистая вода — хороший диэ­лектрик и заряды на поверхности капе­лек сохраняются длительное время. Бо­лее крупные тяжелые отрицательно за­ряженные капельки образуют нижний отрицательно заряженный слой облака. Мелкие легкие капельки объединяются в верхний положительно заряженный слой облака. Электростатическое притя­жение разноименно заряженных слоев 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 счете приводит к эмиссии прото­нов, к изменению величины заряда час­тиц. Следовательно, атмосферное элект­ричество (АтЭ) и статическое электри­чество (СтЭ) имеют одинаковую физи­ческую природу. Различаются они масштабом образования зарядов и зна­ком эмитируемых частиц (электроны или протоны).

О единстве природы АтЭ и СтЭ 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. Наблюдения на Крайнем Севере и в Си­бири показывают, что при низких темпе­ратурах 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 обла­ках и их частях. По экспериментальным данным нижняя часть облаков чаще всего имеет отрицательный заряд, а верхняя — 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 заря­дов АтЭ является молния— 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 25 000°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 воз­действием атмосферного электричества.

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

Рассмотрим опасные факторы вто­ричного воздействия АтЭ. Образовав­шийся электростатический заряд обла­ка наводит (индукцирует) заряд проти­воположного знака на предметах, изо­лированных от земли (оборудование внутри и вне зданий, металлические крыши зданий, провода ЛЭП, радиосети и т. п.). Эти заряды сохраняются и пос­ле 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 опас­ность электростатической индукции.

Явление электромагнитной индукции заключается в следующем. В канале молнии протекает очень мощный и быст­ро изменяющийся во времени ток. Он создает 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. Здесь под металлокоммуникациями по­нимают рельсовые пути, водопроводы, газопроводы, провода ЛЭП и т. п. Зане­сение высоких потенциалов внутрь зда­ния сопровождается электрическими разрядами на заземленное оборудова­ние, что может привести к воспламене­нию горючих смесей и электротравма­тизму людей.

ЗАЩИТА ОТ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

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). Инструкция по проектиро­ванию и устройству молниезащиты СН 305— 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 — не менее 95 %.

По I категории организуется защита объектов, относимых по класси­фикации ПУЭ к взрывоопасным зонам классов В-1 и В-П (см. гл. 20). Зона защиты для всех объектов (независимо от места расположения объекта на тер­ритории СССР и от интенсивности гро­зовой деятельности в месте расположе­ния) применяется только типа А.

По II категории осуществляет­ся защита объектов, относимых по клас­сификации ПУЭ к взрывоопасным зо­нам классов В-1а, В-16 и В-Па. Тип зоны защиты при расположении объектов в местностях со средней грозовой дея­тельностью 10 ч и более в год определя­ется по расчетному количеству N пора­жений объекта молнией в течение года:

при N<=1 достаточна зона защиты ти­па Б; при N> 1 должна обеспечивать­ся зона защиты типа А. Порядок расче­та величины N показан в нижеприведен­ном примере. Для наружных технологи­ческих 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 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 III категории 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 СН 305—77.

Объекты I и II категорий устройст­ва молниезащиты должны быть защи­щены от всех четырех 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 путем 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 протяженными металлокоммуни­кациями в местах их сближения на рас­стояние 10 см и менее через каждые 20 м устанавливают (приваривают) метал­лические перемычки, по которым наве­денные токи перетекают из одного кон­тура в другой без образования электри­ческих разрядов между ними.

Защита от заноса высоких потен­циалов внутрь зданий обеспечивается отводом потенциалов в землю вне зда­ний путем 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 молниеот-воды, принимающие на себя ток молнии и отводящие его в землю.

Объекты I категории молниезащиты 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. 18.5, а) состоит из опоры 1 (высотой до 25 м — из дерева, до 5м — 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 — типа Б (им — высота молниеотвода). На уровне земли зона защиты образует круг радиусом Го;

,ля зоны типа А го==(1,1—0,002/1м)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 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 возможность электроразряда между ними (рис. 18.5, 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. 18.5, а); оно определяется по фор­муле Sз==0,5 Rи и должно быть не ме­нее 3 м; Rн — импульсное электросопро­тивление 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 305—77.

Для защиты от ударов молнии объектов II категории применяют от­дельно стоящие или установленные на защищаемом объекте не изолированные от него стержневые и тросовые молниеотводы. Допускается использование в качестве молниеприемника металличес­кой 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 конструк­ции зданий и сооружений, вплоть до пожарных лестниц на зданиях. Им­пульсное сопротивление каждого зазем­лителя должно быть не более 10 Ом, для наружных установок — 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 каж­дого заземлителя не должно превышать 20 Ом, а при защите дымовых труб, во­донапорных и силосных башен, пожар­ных вышек—50 Ом.