Молниезащита

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.