Атмосферна електрика

ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА Й НЕБЕЗПЕЧНІ ЧИННИКИ АТМОСФЕРНОГО ЕЛЕКТРИКИ.

Атмосферное електрику утворюється і концентрується в хмарах — утвореннях з дрібних водяних частинок, що у рідкому і твердому стані.

Площадь океанів і морів становить 71% поверхні земної кулі. Кожен 1 см² Землі протягом року у середньому отримує 460 кДж сонячної енергії. Підраховано, що із цієї кількості 93 кДж/(см*год) витрачається випаровування води із поверхні водних басейнів. Піднімаючись вгору, водяну пару розладнуються і конденсуються в найменшу водяну пил, що супроводжується виділенням теплоти парообразования (2260 кДж/л). Виниклий надлишок внутрішньої енергії частково витрачається емісію часток отримують за поверхні дрібних водяних крапельок. Для відокремлення молекули води протона (М) потрібно 5,1 еВ, відділення електрона —12,6 еВ, а відділення молекули від кристала льоду досить 0,6 еВ, тому основними эмитируемыми частинками є молекули води та протони. Кількість емітованих протонів пропорційно масі частинок. Результуючий потік протонів завжди спрямований з більш великих крапельок до дрібним. Відповідно більші крапельки набувають негативний заряд, а дрібні — позитивний. Чиста вода — хороший діелектрик і заряди лежить на поверхні крапельок зберігаються тривалий час. Більші важкі негативно заряджені крапельки утворюють нижній негативно заряджений шар хмари. Дрібні легкі крапельки об'єднують у верхній позитивно заряджений шар хмари. Електростатичне тяжіння разноименно заряджених верств підтримує схоронність хмари в цілому.

Эмиссия протонів виникає додатково при кристалізації водяних частинок (перетворенні їх на сніжинки, градинки), бо за цьому виділяється теплота плавлення, рівна 335 кДж/л. При соударениях крапельок, сніжинок, градинок робота вітру у кінцевому підсумку призводить до емісії протонів, зміну величини заряду частинок. Отже, атмосферне електрику (АтЭ) і статична електрику (СтЭ) мають однакову фізичну природу. Відрізняються вони масштабом освіти зарядів і знаком емітованих частинок (електрони чи протони).

О єдності природи АтЭ і СтЭ свідчать досвідчені дані. Сухий сніг є типове сипуче тіло; при терті сніжинок друг про одного й їх ударах про землі і про місцеві предмети сніг повинен электризоваться, що й насправді. Спостереження на Крайній Півночі й у Сибіру показують, що з низьких температурах під час сильних снігопадів і заметілей електризація снігу настільки велике, що відбуваються зимові грози, в хмарах сніжної пилу бувають видно сині і фіолетові спалахи, спостерігається світіння гострих предметів, утворюються кульові блискавки. Дуже ;ильные заметілі іноді заряджають телеграфні дроти так, що подк: лючаемые до них електролампочки світяться повним напруженням. Ті самого явища простежуються в час сильних курних (песчанных) бур.

Наличие безлічі взаємодіючих чинників дає складну картину розподілу зарядів АтЭ в хмарах та його частинах. По експериментальним даним нижня частина хмар найчастіше має негативний заряд, а верхня — позитивний, а може бути і протилежна полярність частин хмари. Хмари можуть також нести переважно заряд одного знака.

Заряд хмари (частини хмари) утворюють дрібні однойменно заряджені частки води (в рідкому і твердому стані), розміщені обсязі кількох км3.

Электрический потенціал грозового хмари становить мільйони вольт, а може досягати 1 млрд. У. Проте загальне налаштування хмари дорівнює кільком кулонам.

Основной формою релаксації зарядів АтЭ є блискавка— електричний розряд між хмарою і засипали землею чи торгівлі між хмарами (частинами хмар). Діаметр каналу блискавки становить близько 1 див, струм в каналі блискавки становить десятки килоампер, а може досягати 100 кА, температура в каналі блискавки дорівнює приблизно 25 000°С, тривалість розряду становить частки секунд.

Молния є потужною вражаючим небезпечним чинником. Прямий удар блискавки призводить до механічним руйнувань будинків, споруд, скель, дерев, викликає пожежі і вибухи, є прямою чи непрямої причиною загибелі людей. Механічні руйнації викликаються миттєвим перетворенням води та речовини на пару високого тиску шляхах перебігу струму блискавки в названих об'єктах. Прямий удар блискавки називають первинним впливом атмосферного електрики.

К вторинному впливу АтЭ відносять: електростатичну і електромагнітну індукції; замет високих потенціалів у будинки і споруди.

Рассмотрим небезпечні чинники вторинного впливу АтЭ. Виниклий електростатичний заряд хмари наводить (индукцирует) заряд протилежного знака на предметах, ізольованих від Землі (устаткування усередині якого і поза будинків, металеві даху будинків, дроти ЛЕП, радіомережі тощо. п.). Ці заряди зберігаються після удару блискавки. Вони наостанку релаксують зазвичай шляхом електричного розряду на найближчі заземлені предмети, що може викликати электротравматизм людей, запалення горючих сумішей і вибухи. У цьому полягає небезпека електростатичної індукції.

Явление електромагнітної індукції ось у чому. У каналі блискавки протікає дуже потужний і швидко змінюється у часі струм. Він створить потужне змінне у часі магнітне полі. Таке полі індукує в металевих контурах электродвижущую силу різного розміру. У місцях зближення контурів з-поміж них можуть відбуватися електричні розряди, здатні спалахнув горючі суміші і просить викликати электротравматизм.

Занос високих потенціалів у будинок відбувається внаслідок прямого удару блискавки в металлокоммуникации, розташовані лише на рівні землі чи понад ній поза будинків, але вхідні всередину будинків. Тут під металлокоммуникациями розуміють колії, водопроводи, газопроводи, дроти ЛЕП тощо. п. Занесення високих потенціалів всередину будинку супроводжується електричними розрядами на заземленное устаткування, що може спричинити до запаленню горючих сумішей і электротравматизму людей.

ЗАЩИТА ВІД АТМОСФЕРНОГО ЕЛЕКТРИКИ.

Требуемая рівень захисту будинків, споруд й відкритих установок від впливу атмосферного електрики залежить від взрывопожароопасности названих об'єктів і забезпечується правильним вибором категорії устрою молниезащиты та певного типу зони захисту об'єкта від прямих ударів блискавки.

Степень взрывопожароопасности об'єктів оцінюється за класифікацією Правил устрою електроустановок (ПУЭ). Інструкція із проектування й влаштуванню молниезащиты СП 305— 77 встановлює три категорії устрою молниезащиты (I, II, III) і двоє типу (Проте й Б) зон захисту об'єктів від прямих ударів блискавки. Зона захисту типу, А забезпечує перехоплення шляху до защищаемому об'єкту щонайменше 99,5% блискавок, а типу Б — щонайменше 95%.

По I категорії організується захист об'єктів, що відносяться за класифікацією ПУЭ до вибухонебезпечним зонам класів В-1 і В-П (див. гол. 20). Зона захисту всім об'єктів (незалежно від місця розташування об'єкта біля СРСР і південь від інтенсивності грозової діяльність у місці розташування) вживається лише типу А.

По II категорії здійснюється захист об'єктів, що відносяться за класифікацією ПУЭ до вибухонебезпечним зонам класів В-1а, В-16 і В-Па. Тип зони захисту при розташуванні об'єктів в місцевостях з середньої грозової діяльністю 10 год і більше на рік визначається по розрахунковому кількості N поразок об'єкта блискавкою протягом року:

при N 1 повинна забезпечуватися зона захисту типу А. Порядок розрахунку величини N показаний в нижеприведенном прикладі. Для зовнішніх технологічних установок і чотири відкритих складів, що відносяться по ПУЭ до зон класу В-1г, по всій території СРСР (без розрахунку N) приймається зона захисту типу Б.

По III категорії організується захист об'єктів, що відносяться по ПУЭ до пожароопасным зонам класів П-1, П-2 і П-2а. При розташуванні об'єктів в місцевостях з середньої грозової діяльністю 20 год і більше на рік і за N> 2 повинна забезпечуватися зона захисту типу На інших випадках — типу Б. По III категорії здійснюється також молниезащита суспільних соціальних і житлових будинків, веж, вишок, труб, підприємств, будинків та споруд сільськогосподарського призначення. Тип зони захисту цих об'єктів визначається відповідність до вказівками СП 305—77.

Объекты I і II категорій устрою молниезащиты мали бути зацікавленими захищені від усіх чотирьох видів впливу атмосферного електрики, а об'єкти III категорії — від прямих ударів блискавиці й від заносу високих потенціалів всередину будинків та споруд.

Защита від електростатичної індукції залежить від відведення индуцируемых статичних зарядів в землю шляхом приєднання металевого устаткування, розміщеного всередині і «поза будинків, до спеціального заземлителю або до захисному заземлению електроустановок; опір заземлителя растеканию струму промислової частоти має не більше 10 Ом..

Для захисту від електромагнітної індукції між трубопроводами та інші протяжними металлокоммуникациями у місцях їх зближення на відстань 10 див і менше через кожні 20 м встановлюють (приварюють) металеві перемички, якими наведені струми перетікають вже з контуру на другий без освіти електричних розрядів з-поміж них.

Защита від заносу високих потенціалів всередину будинків забезпечується відведенням потенціалів в землю поза будинків шляхом приєднання металлокоммуникации на вході у будинку до заземлителям захисту від електростатичної індукції або до захисним заземлениям електроустановок.

Для захисту об'єктів від прямих ударів блискавки споруджуються молниеот-воды, приймаючі він струм блискавки й відводять їх у землю.

Объекты I категорії молниезащиты захищають від прямих ударів блискавки окремо що стоять стрижневими, тросовыми молниеотводами чи молниеотводами, встановлюваними на защищаемом об'єкті, але електрично ізольованими від цього.

Отдельно стоїть стрижневою кондуктор (рис. 18.5, а) складається з опори 1 (заввишки до 25 м — дерев’янний, до 5м — з металу чи залізобетону), молниеприемника 2 (сталевої профіль перерізом щонайменше 100 мм2), токоотвода 3 (перерізом щонайменше 48 мм2) і заземлителя .

4. Зона захисту молниеотвода є обсяг конуса, висота якого дорівнює 0,8*5 їм для зони, типу Проте й 0,92 їм — типу Б (їм — висота молниеотвода). На рівні землі зона захисту утворює коло радіусом Го, для зони типу, А го==(1,1—0,002/1м)Ам, для зони типу Б Го==1,5/1м.

В тросовом молниеотводе (рис. 18.5, б) як молниеприемника використовується.

горизонтальный трос, що закріплюється двома опорах. Токоотводы приєднуються до обох кінців троса, прокладаються по опорам і приєднуються кожен до окремому заземлителю.

При установці молниеотвода будинку має бути забезпечене безпечну відстань Sв повітрям між токоотводом і захищуваних об'єктом, який виключає можливість электроразряда з-поміж них (рис. 18.5, в). З іншого боку, попередження заносу високих потенціалів через грунт має бути забезпечене безпечну відстань Sз між заземлителем і металлокоммуникациями, які входять у будинок (див. рис. 18.5, а); він визначається за такою формулою Sз==0,5 Rи і бути щонайменше 3 м; Rн — импульсное электросопротивление заземлителя.

Импульсное электросопротивление заземлителя кожному за токоотвода на об'єктах I категорії захисту має не більше 10 Ом.

Типовые конструкції заземлителей, задовольняють цієї вимоги, наведені у інструкції СП 305—77.

Для захисту від ударів блискавки об'єктів II категорії застосовують окремо які стоять чи встановлені на защищаемом об'єкті не ізольовані від цього стрижневі і тросовые молниеотводы. Допускається використання кронштейна як молниеприемника металевої покрівлі будівлі молниеприемной сітки (з дроту діаметром 6…8 мм осередками 6Х6 м), накладываемой на неметаллическую дах (рис. 18.5, р).

Як токоотводов рекомендується використовувати металеві конструкції будинків та споруд, до пожежних драбин на будинках. Импульсное опір кожного заземлителя має не більше 10 Ом, для зовнішніх установок — трохи більше 50 Ом.

Защита об'єктів III категорії від прямих ударів блискавки організується як і, як об'єктів II категорії, але вимоги до заземлителям нижче:

импульсное электросопротивление кожного заземлителя на повинен перевищувати 20 Ом, а при захисту димарів, водонапірних і силосних веж, пожежних вышек—50 Ом.