Контрольная: Молниезащита

Контрольная: 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 см

2 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.