Каталог :: Безопасность жизнедеятельности

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.