Атмосферное электричество

метки: Электричество, Молниеотвод, Сооружение, Воздух, Здание, Отрицательно, Вызвать, Сопровождаться

Несомненно, человек познакомился с природным электричеством с самого зарождения человечества (молнии, электрические рыбы и др.).

Однако многие века гигантская электрическая искра, каковой является молния, была лишь загадочным и страшным явлением, считавшимся орудием богов. Научное изучение этого явления началось лишь в XVII веке.

Учение об атмосферном электричестве тесно связано с вопросом об электризации осадков. Наблюдения показывают, что по большей части осадки имеют довольно значительный отрицательный заряд. Ранее это явление пытались объяснить отрицательной электризацией воды при испарении, теория же ионизации объясняет это тем, что ионы являются центрами конденсации паров, причем отрицательные ионы конденсируют влагу в более сильной степени и потому скорее выпадают вместе с осадками. Вихри, представляющие собой частные депрессии незначительного объема, обусловленные обыкновенно местными причинами, весьма часто сопровождаются электрическими разрядами и носят тогда название гроз. Электрический разряд, происходящий при этом между двумя облаками или между облаком и землей, называется молнией, и она сопровождается обыкновенно громом. Тихий разряд между облаками или же отражение отдаленной молнии, когда гром не слышен, называется зарницей.

1. Возникновение атмосферного электричества

Электрическое атмосферное явление, при котором в мощных кучево-дождевых облаках или между облаками и земной поверхностью возникают многократные электрические разряды (молнии), сопровождающиеся громом, называется грозой. Грозам обычно сопутствуют шквалистые ветры, ливневые осадки, нередко с градом.

Электрические явления в атмосфере: ионизация воздуха, электрическое поле атмосферы, электрические заряды облаков и осадков, электрические токи вызывают разряды в атмосфере. Такие разряды называют атмосферными [1].

Еще одним источником электрического разряда является такое явление, как шаровая молния (ШМ), практически неослабевающий интерес к которой обусловлен тем, что до сих пор не существует какой-то одной общепринятой модели их внутреннего строения. Время жизни наблюдаемых ШМ достигает десятков секунд и учитывая их внезапное появление слишком мало для детального исследования. Некоторые примеры из повреждения предметов после контакта с ШМ позволяют сделать оценки внутренней энергии, содержащейся в ШМ. Как следует из опыта контактов с ШМ, они обычно образуются вблизи источников сильных электромагнитных разрядов – при ударе молнии, при замыкании-размыкании высоковольтного или сильноточного электрооборудования, при высокочастотных импульсах мощных генераторов. Молнии не контролируются природой. Они проводят свою энергию через крошечное острие. Концентрация этой энергии — источник физических повреждений. Задача всех защитных технологий – рассеять эту энергию [4].

Электрический ток в газах (2)

... явление природы – молния – представляет собой искровой разряд в атмосфере. Уже в середине 18-го века обратили внимание на внешнее сходство молнии с электрической искрой. Высказалось предположение, что грозовые облака ... температуры не является единственные способом ионизации молекул или атомов газа. Нейтральные атомы или молекулы газа могут ионизироваться также и под воздействием других факторов. ...

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.

Грозовое облако — это огромное количество пара, часть которого сконденсирована в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6-7 км, а низ нависать над землей на высоте 0,5-1 км. Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Легкие мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, все время сталкиваются с крупными. Каждое такое столкновение приводит к электризации. При этом крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие — положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные — внизу. Другими словами, верх грозовой тучи заряжен положительно, а низ — отрицательно.

Электрическое поле тучи имеет огромную напряженность — около миллиона В/м. Когда большие противоположно заряженные области подходят достаточно близко друг к другу, некоторые электроны и ионы, пробегая между ними, создают светящийся плазменный канал, по которому за ними устремляются остальные заряженные частицы. Так происходит молниевый разряд.

Во время этого разряда выделяется огромная энергия — до миллиарда Дж. Температура канала достигает 10 000 К, что и рождает яркий свет, который мы наблюдаем при разряде молнии. Облака постоянно разряжаются по этим каналам, и мы видим внешние проявления данных атмосферных явлений в виде молний.

Раскаленная среда взрывообразно расширяется и вызывает ударную волну, воспринимаемую как гром[5].

2. Молниезащита зданий и сооружений. Защита от атмосферного электричества

Молниезащита — система защитных устройств и мероприятий, применяемых в промышленных и гражданских сооружениях для защиты их от аварий, пожаров при попадании в них молнии.

Молния — особый вид прохождения электрического тока через огромные воздушные промежутки, источник которого — атмосферный заряд, накопленный грозовым облаком. Условия образования таких облаков большая влажность и быстрое изменение температуры. В результате возникновения восходящих потоков воздуха и быстрой конденсации водяных паров, содержащихся в воздухе, образуется большое количество водяной пыли, которая заряжается отрицательно.

Воздействие тока молнии возможно трех типов.

Прямой удар при разряде молнии в объект оказывает тепловое и механическое воздействие. При этом ток молнии может вызвать нагревание токоотвода до температуры каления, плавления и даже испарения. Быстрое разогревание вызывает нарастание электродинамических напряжений в конструкциях. Это вызывает механические разрушения, часто происходящие в виде взрыва.

Пожарная безопасность производственных зданий

... Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности” устанавливаем категорию здания по взрывопожарной опасности: В данном случае здание имеет категорию В1. 5. По СНиП 31-03-2001 “Производственные здания” ( ... (J). Степень огнестойкости здания II. 6. По СНиП 21-01-97* “Пожарная безопасность зданий и сооружений”, зная степень огнестойкости здания, по табл. 4 определяется ...

Вторичное воздействие разряда молнии сопровождается появлением в пространстве изменяющетося во времени магнитного поля, которое индуцирует в контурах, образованных из различных протяженных металлических предметов (трубопроводов, электропроводок и т. д.), всегда имеющихся в здании, электродвижущую силу. В замкнутых контурах электродвижущая сила вызывает появление наведенных токов. В тех контурах, в которых контакты недостаточно надежны в местах соединения, эти токи могут вызвать искрение или сильное нагревание, что очень опасно для помещений, где могут образовываться опасные концентрации горючих или взрывоопасных веществ.

Занос высоких потенциалов в здания может происходить по любым металлоконструкциям, рельсовым путям, эстакадам, проводам ЛЭП, трубопроводам и т. д. Эти заносы сопровождаются электрическими разрядами, которые могут явиться источником взрыва или пожара.

Защита от поражения молнией зависит от типа производства, расположенного в здании, и от среднегодовой грозовой деятельности атмосферы. Грозовая деятельность может быть оценена ожидаемым количеством поражений молнией в год зданий и сооружений:

где l, b — длина и ширина защищаемого сооружения (или наименьшего описанного прямоугольника для зданий сложной конфигурации), м; h — наибольшая высота сооружения, м; n — среднегодовое число ударов молнии в 1 км2 поверхности земли (в данном географизическом месте).

Все сооружения по необходимости устройства молниезащиты разделены на три категории.

В зданиях и сооружениях I категории длительное время сохраняются или систематически возникают взрывоопасные смеси газов, паров и пыли с воздухом или другими окислителями; перерабатываются или хранятся взрывчатые вещества в неметаллических упаковках или в открытом виде. Взрыв таких зданий и сооружений сопровождается значительными разрушениями и человеческими жертвами.

В зданиях и сооружениях II категории взрывоопасные смеси газов, паров и пыли с воздухом или другими окислителями возникают только в момент производственных аварий или неисправностей; взрывчатые вещества хранятся в прочной металлической упаковке. Взрыв в таких помещениях сопровождается, как правило, незначительными разрушениями без человеческих жертв.

В зданиях и сооружениях III категории прямой удар молнии может вызвать пожар, механические разрушения и поражения людей. К. этой категории можно отнести жилые и общественные здания, дымовые трубы, водонапорные башни, газгольдеры, резервуары[6].

Рис. 1. Молниеотводы:

а — стержневой отдельно стоящий; 6 — то же, укрепленный иа здании; в — тросовый

Рис. 2. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода:

Молниезащита. Защита от статического электричества

... здание или сооружение с определенной степенью надежности защищено от прямых ударов молнии). Зоны защиты и вероятность прорыва в них молнии поддаются расчетам. На одном и том же молниеотводе ... документации молниезащиты объектов (для которых необходимо устройство молниезащиты), включающий: пояснительную записку, схемы зон защиты молниеотводов; рабочие чертежи конструкций молниеотводов; приемочную ...

1 — граница зоны защиты иа уровне защищаемого объекта; 2 — граница зоны защиты на уровне земли

В соответствии с инструкцией СН 305—77 здания и сооружения I и II категорий подлежат молниезащите от прямых ударов молнии, вторичных воздействий и заноса высоких потенциалов.

Здания и сооружения III категории должны иметь защиту от прямых ударов молнии и от заноса высоких потенциалов по надземным проводящим коммуникациям (за исключением наружных емкостей со взрыво- и пожароопасными жидкостями и газами, а также вертикальных наружных труб).

Для защиты зданий и промышленных сооружений от тока молнии устраивают молниеотводы (громоотводы).

Они воспринимают молнию и отводят ее ток в землю. Молниеотводы делят на стержневые и тросовые, которые подразделяют на отдельно стоящие, изолированные и не изолированные от защищаемого здания[6].

Наиболее часто применяются стержневые молниеотводы. Тросовые используются для защиты длинных и узких сооружений, а также, когда из-за густой сети подземных коммуникаций нельзя установить большое число стержневых молниеотводов.

Защитное действие молниеотвода основано на свойстве молнии поражать наиболее высокие и хорошо заземленные металлические конструкции и характеризуется зоной защиты, под которой понимается часть пространства, защищенного от прямых ударов молнии с определенной степенью надежности.

Рис. 3. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода

По величине степени надежности зоны защиты могут быть двух типов — А и Б. Для зоны защиты типа А степень надежности 99,5% и выше, а типа Б — 95% и выше. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода представляет собой конус. Высота конуса h0 и радиус его основания (на земле) r0 зависят от размеров защищаемого объекта. Наибольшая высота h молниеотвода с молниеприемником не должна превышать 150 м/

Зона защиты двойного стержневого молниеотвода, состоящего из двух стержневых молниеотводов разной высоты. Торцовые части сечения — это зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода.

Для защиты больших площадей и объектов применяют многократные стержневые молниеотводы. Для определения внешней границы зоны защиты трех-четырех взаимодействующих молниеотводов используют те же приемы, что и для одиночного или двойного стержневого молниеотвода.

Конструктивно молниеотвод представляет собой молниеприемник, токоотводящий спуск и заземлитель. Опоры молниеотводов могут выполняться из стали в виде стоек из труб одного диаметра и железобетонных колонн или дерева. Там, где это возможно, в качестве опор для крепления токоведущих частей молниеотвода следует использовать конструкции самих защищаемых зданий. Молниеприемники стержневых молниеотводов изготавливаются из стальных стержней и имеют высоту не менее 200 мм.

Высокие объекты, как правило, имеют каркас из металла или железобетона, который может служить токоотводом. Следует только предусмотреть надежное соединение во время строительства стальной арматуры железобетонных деталей каркаса. В качестве таких токоотводов можно использовать конструктивные элементы (перила балконов, пожарные лестницы и т, д.) или специально проложенные стальные проводки. К каркасу объекта, являющемуся токоотводом, подсоединяют все металлические элементы здания (трубопроводы, каркасы лифтов и т. д.).

Защита электрических сетей от перенапряжения (2)

... др.). Грозозащита воздушных линий электропередач и подстанций Основной количественной характеристикой разряда молнии является амплитуда тока молнии. Воздушные линии электропередач ( ... равной 20-кратной высоте объекта или молниеотвода стример, начинает ориентироваться или избирать ... молнии в провода воздушных линий электропередач, связи, радио, если они не имеют соответствующей защиты или эта защита ...

Каркас объекта через каждые 20… 30 м по его периметру присоединяют к заземляющему контуру.