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 см2 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 виднысиние 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 разрушениям 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 защищаемомобъекте, но электрически изолированными от него.