7.5.Основы защиты от атмосферного электричества.

Атмосферное электричество образуется и концентрируется в облаках – влаговоздушных смесях из мелких частичек, 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/(см²·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 отделения 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. Результирующих поток протонов всегда направлен от более крупных капелек к мелким. Соответственно более крупные капельки собирают 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.

Основной формой релаксации зарядов атмосферного электричества является молния – электрический разряд между облаком и землей или между облаками (частями облаков)

Молния характеризуется следующими параметрами: напряжение между облаками и землей может составлять 100 млн. В, ток молнии – 100 тыс. А, время действия – 10^-6 с, диаметр светящегося канала (раскаленных газов, проводящих электрический ток) – 10 … 20 см, температура в канале молнии равна примерно 25 000 ^оС, длина пути линейной молнии может достигать нескольких километров.

Молния является фактором повышенной опасности для современного производства. Напряжение линейной молнии обусловливает электромагнитное, тепловое и механическое действие на объект, через который происходит электрический разряд, что может привести к аварии или пожару.

Прямой удар молнии называют первичным воздействием атмосферного электричества.

К вторичному воздействию атмосферного электричества относят: электростатическую и электромагнитную индукции; занос высоких потенциалов в здания и сооружения.

Рассмотрим опасные факторы вторичного воздействия атмосферного электричества. Образовавшийся электростатический заряд облака наводит (индуктирует) заряд противоположного знака на предметах, изолированных от земли (оборудование внутри и вне зданий, провода линий электропередачи, металлические крыши зданий и пр.). 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.

Опасность явления 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 воспламенять горючие смеси и взрывы.

Занос высоких потенциалов в здание происходит в результате прямого удара молнии в металлоконструкции, расположенные на уровне земли или над ней вне зданий, но входящие внутрь зданий. Здесь под металлическими коммуникациями понимают водопроводы, газопроводы, провода линий электрической передачи, рельсовые пути и пр.

Устройство, воспринимающее прямой удар молнии и отводящее ее ток в землю, получило название миолниеотвода. Он представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом металлическое устройство и состоит из следующих частей: молниеприемника, несущей опорной конструкции, токовода и заземлителей.

Здания и сооружения в зависимости от их назначением, интенсивности грозовой деятельности и от ожидаемого количества поражений молнией за год защищаются в соответствии с категориями строений и типом зоны защиты.

Категория молниезащиты определяется назначением зданий и сооружений, К - среднегодовой продолжительностью гроз, ч в год, а также N - ожидаемым числом поражений здания или сооружения молнией в год: ,

где B и L – соответственно ширина и длина зданий, что имеют в плане прямоугольную форму, h_х – наибольшая высота здания (сооружения), м; n – среднегодовое число ударов молнии в 1 км² земной поверхности в месте расположения здания. Справочные данные для расчетов содержатся в табл. №7.3; в табл.№7; в табл.№ 7.5.

В зависимости от вероятности вызванного молнией пожара или взрыва, исходя из масштаба возможных разрушений и ущерба, установлены три категории зданий и сооружений.