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 те¬чение года в среднем получает 460 кДж солнечной энергии. Подсчитано, что из этого количества 93 кДж/(см*год) расходуется на испарение воды с по¬верхности водных бассейнов.Подни¬маясь вверх, водяные пары охлаждают¬ся и конденсируются в мельчайшую во¬дяную пыль, что сопровождается выде¬лением теплоты парообразования (2260 кДж/л). Образовавшийся избы¬ток внутренней энергии частично расхо¬дуется 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 эмитируемы¬ми частицами являются молекулы воды и протоны.
Количество эмитируемых протонов пропорционально массе час¬тиц. Результирующий поток протонов всегда направлен от более крупных ка¬пелек к мелким. Соответственно более крупные капельки приобретают отрица¬тельный заряд, а мелкие — положи¬тельный. Чистая вода — хороший диэ¬лектрик и заряды на поверхности капе¬лек сохраняются длительное время. Бо¬лее крупные тяжелые отрицательно за¬ряженные капельки образуют нижний отрицательно заряженный слой облака.Мелкие легкие капельки объединяются в верхний положительно заряженный слой облака.
Электростатическое притя¬жение разноименно заряженных слоев поддерживает сохранность облака как целого.Эмиссия протонов возникает допол¬нительно при кристаллизации водяных частиц (превращении их в снежинки, градинки), так как при этом выделяет¬ся теплота плавления, равная 335 кДж/л. При соударениях капелек, снежинок, градинок работа ветра в ко¬нечном счете приводит к эмиссии прото¬нов, к изменению величины заряда час¬тиц. Следовательно, атмосферное элект¬ричество (АтЭ) и статическое электри¬чество (СтЭ) имеют одинаковую физи¬ческую природу.
Различаются они масштабом образования зарядов и зна¬ком эмитируемых частиц (электроны или протоны). О единстве природы АтЭ и СтЭ сви¬детельствуют опытные данные. Сухой снег представляет собой типичное сыпу¬чее 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 Си¬бири показывают, что при низких темпе¬ратурах 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 обла¬ках 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 заря¬дов 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 воз¬действием атмосферного электричества. К вторичному воздействию АтЭ относят: электростатическую и электро¬магнитную индукции; занос высоких по¬тенциалов в здания и сооружения.
Рассмотрим опасные факторы вто¬ричного воздействия АтЭ. Образовав¬шийся электростатический заряд обла¬ка наводит (индукцирует) заряд проти¬воположного знака на предметах, изо¬лированных от земли (оборудование внутри и вне зданий, металлические крыши зданий, провода ЛЭП, радиосети и т. п.). Эти заряды сохраняются и пос¬ле 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 опас¬ность электростатической индукции. Явление электромагнитной индукции заключается в следующем.В канале молнии протекает очень мощный и быст¬ро изменяющийся во времени ток. Он создает мощное переменное во времени магнитное поле. Такое поле индуциру¬ет в металлических контурах электро¬движущую силу разной величины.
В местах сближения контуров между ни¬ми могут происходить электрические разряды, способные воспламенить го¬рючие смеси и вызвать электротравма¬тизм. Занос высоких потенциалов в здание происходит в результате прямого удара молнии в металлокоммуникации, распо¬ложенные на уровне земли или над ней вне зданий, но входящие внутрь зданий.Здесь под металлокоммуникациями по¬нимают рельсовые пути, водопроводы, газопроводы, провода ЛЭП и т. п. Зане¬сение высоких потенциалов внутрь зда¬ния сопровождается электрическими разрядами на заземленное оборудова¬ние, что может привести к воспламене¬нию горючих смесей и электротравма¬тизму 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 устрой¬ства молниезащиты и типа зоны за¬щиты объекта от прямых ударов молнии.
Степень взрывопожароопасности объектов оценивается по классифика¬ции Правил устройства электроустано¬вок (ПУЭ). Инструкция по проектиро¬ванию 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 класси¬фикации ПУЭ к взрывоопасным зонам классов В-1 и В-П (см. гл. 20). Зона защиты для всех объектов (независимо от места расположения объекта на тер¬ритории СССР и от интенсивности гро¬зовой деятельности в месте расположе¬ния) применяется только типа А. По II категории осуществляет¬ся защита объектов, относимых по клас¬сификации ПУЭ к взрывоопасным зо¬нам классов В-1а, В-16 и В-Па. Тип зоны защиты при расположении объектов в местностях со средней грозовой дея¬тельностью 10 ч и более в год определя¬ется по расчетному количеству N пора¬жений объекта молнией в течение года: при N<=1 достаточна зона защиты ти¬па Б; при N> 1 должна обеспечивать¬ся зона защиты типа А. Порядок расче¬та величины N показан в нижеприведен¬ном примере.
Для наружных технологи¬ческих 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 объек¬тов в местностях со средней грозовой деятельностью 20 ч и более в год и при N> 2 должна обеспечиваться зона за¬щиты 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 определяет¬ся в соответствии с указаниями СН 305—77. Объекты I и II категорий устройст¬ва молниезащиты должны быть защи¬щены от всех четырех видов воздейст¬вия атмосферного электричества, а объекты III категории — от прямых ударов молнии и от заноса высоких по¬тенциалов внутрь зданий и сооружений.
Защита от электростатической ин¬дукции заключается в отводе индуци¬руемых 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 промыш¬ленной частоты должно быть не бо¬лее 10 Ом. Для защиты от электромагнитной индукции между трубопроводами и дру¬гими протяженными металлокоммуни¬кациями в местах их сближения на рас¬стояние 10 см и менее через каждые 20 м устанавливают (приваривают) метал¬лические перемычки, по которым наве¬денные токи перетекают из одного кон¬тура в другой без образования электри¬ческих разрядов между ними. Защита от заноса высоких потен¬циалов внутрь зданий обеспечивается отводом потенциалов в землю вне зда¬ний путем присоединения металлоком¬муникации 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, тро¬совыми 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 кон¬цам 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 высо¬ких потенциалов через грунт должно быть обеспечено безопасное расстояние Sз между заземлителем и металлокоммуникациями , входящими в здание (см. рис. 18.5, а); оно определяется по фор¬муле Sз==0,5 Rи и должно быть не ме¬нее 3 м; Rн — импульсное электросопро¬тивление 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 от¬дельно стоящие или установленные на защищаемом объекте не изолированные от него стержневые и тросовые молниеотводы.
Допускается использование в качестве молниеприемника металличес¬кой 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 конструк¬ции зданий и сооружений, вплоть до пожарных лестниц на зданиях.
Им¬пульсное сопротивление каждого зазем¬лителя 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 каж¬дого заземлителя не должно превышать 20 Ом, а при защите дымовых труб, во¬донапорных и силосных башен, пожар¬ных вышек—50 Ом.