Грозові розряди атмосферної електрики можуть викликати пошкодження ізоляції, аварії в електроустановках, нещасні випадки з людьми і руйнування будівель та споруд.
Виникнення грозових розрядів
При нагріванні сонцем земної поверхні виникають висхідні потоки повітря, насичені водяними парами. Більш дрібні частинки води заряджаються негативно, більші - позитивно.
Під дією вітру і сили тяжіння відбувається поділ разноименно заряджених частинок. Частинки води в хмарах, що піднялися на висоту понад 5 км, замерзають і руйнуються. Позитивно заряджені кристалики розташовуються у верхній частині хмари, на висоті 5-7 км, негативно заряджені - на висоті 2-5 км. В результаті поділу зарядів в хмарах утворюються так звані об'ємні заряди, і різні частини грозової хмари мають різну величину і знак заряду. Заряди нижній частині хмари наводять на землі заряди протилежного знака.
Між хмарами і землею, а також між різними частинами хмари або між різними хмарами виникають поля високої напруженості - кілька десятків тисяч вольт на сантиметр. При напруженості поля близько 30 кВ / см відбувається іонізація повітря, починається пробою - так званий лідерних розряд (слабосветящіхся канал діаметром 10-20 м), що рухається із середньою швидкістю до 200-300 км / сек.
Під дією поля заряди на землі - на ділянках з підвищеною провідністю (вологі місця, електропровідні шари і т. Д.) Або з високими об'єктами (пагорби, димові труби, водонапірні башти, опори, проводи ліній електропередач, дерева, що окремо стоять на рівнині будівлі і т. д.) - рухаються назустріч лідеру.
Лідер направляється до того об'єкту, по відношенню до якого напруженість електричного поля найбільш висока, і тоді виникає потужний зустрічний розряд, що поширюється зі швидкістю, сумірною зі швидкістю світла (рис. 1). При цьому за час менше однієї десятитисячної частки секунди через уражене спорудження проходить струм, що досягає сотень тисяч ампер, під дією якого плазма розігрівається до кількох десятків тисяч градусів і починає яскраво світитися.
Світловий ефект розряду сприймається як блискавка, а взривоподібний розширення повітря в каналі розряду викликає звуковий ефект - грім.
Мал. 1. Схема процесу електризації грозової хмари і розвитку грозового розряду на наземний об'єкт.
Як показали вимірювання, приблизно 3/4 розрядів виникає з негативно заряджених частин хмари, 1/4 розрядів - з позитивно заряджених зон. Слідом за першим можуть виникнути ще кілька послідовних розрядів.
Грозові розряди характеризуються такими параметрами:
• амплітуда струму - найбільш часто спостерігається струм 10-30 кА, в 5-6% вимірювань ток досягав величини 100-200 кА;
• довжина фронту хвилі - тривалість наростання струму блискавки до його максимального значення (зазвичай 1,5-2 мкс).
Значно рідше спостерігають кульову блискавку, що представляє собою світиться плазмова куля діаметром до півметра повільно рухається під впливом потоків повітря уздовж поверхні землі. Кульова блискавка проникає в будівлі через димові труби, вікна, двері.
Якщо кульова блискавка стосується живого організму, бувають смертельні поразки, виникають сильні опіки, а при зіткненні з спорудами відбувається вибух і механічне пошкодження об'єктів. Природа кульової блискавки ще недостатньо вивчена.
Вплив струму блискавки на будівлі і споруди
Прямий удар блискавки викликає розщеплення опор, розплавлення конструкцій, займання і вибух, механічне пошкодження, неприпустимий нагрів металевих конструкцій від протікає по ним в землю струму блискавки. За даними експлуатації блискавка пропалює листовий метал товщиною 4 мм.
Електростатична індукція проявляється у створенні на ізольованих від землі металевих конструкціях і провідниках високого потенціалу, що приводить до пробою на землю, який в свою чергу може викликати ураження людей струмом, займання і вибух вибухонебезпечних сумішей, а також порушення ізоляції в електроустановках.
Електромагнітна індукція проявляється в индуктирование при струмі розряду на протяжних ізольованих один від одного і від землі металевих конструкціях і комунікаціях (балки, рейки, трубопроводи і т. П.) Високих потенціалів, які можуть викликати іскру або дугу.
При грозовому розряді відбувається також занесення високих потенціалів по зовнішнім наземним конструкцій і комунікацій.
Будинки і споруди, в залежності від їх призначення і інтенсивності грозової діяльності в районі їх місцезнаходження, повинні мати захист від ураження блискавкою або викликаних розрядом блискавки вторинних впливів.
Територія від Уралу до Красноярська і южней Красноярська, від Красноярська до Хабаровська відноситься до. Місцевостям із середньою тривалістю грозової діяльності від 40 до 60 годин. В районі північніше Красноярська, від Красноярська до Миколаївська-на-Амурі, середня тривалість грозової діяльності від 20 до 40 годин. Підвищена грозова діяльність від 60 до 80 годин на рік спостерігається в районах Гірського Алтаю (Бійськ-Гірничо-Алтайськ - Усть-Каменогорськ). Блискавкозахист будівель і споруд повинна виконуватися за типовими проектами, розробленими спеціалізованими організаціями.
Захист від прямих ударів блискавки. Зона дії громовідводу
Дія блискавкозахисних пристроїв полягає в тому, що поблизу об'єкта, що захищається встановлюється підноситься над ним металевий молниеприемник, надійно з'єднаний з землею. При виникненні грозового розряду, лідер, що спрямовується до землі, наближається до найбільш високій точці, що має підвищену провідність (такою точкою служить вершина заземленого молниеприемника), і розряд відбувається на молниеприемник, минаючи, що захищається.
Зоною захисту одиночного стрижневого блискавкоприймача висотою h є конус висотою 0,92 h з основою у вигляді кола радіусом 1,5 h (рис. 2).
Всі споруди, які вписуються в конус, будуть захищені від прямого удару блискавки з надійністю не менше 95% (зона Б). Всередині конуса висотою 0,85 h і радіусом підстави 1,1 h надійність захисту становить 99,5%. (Зона А).
Мал. 2. Зони захисту одиночного стрижневого блискавковідводу. А - зона захисту з надійністю 99,5%; Б - зона захисту з надійністю 95%; 1 - блискавковідвід; 2 - об'єкт, що захищається.
Якщо площа об'єкта більше захищається зони, потрібно збільшити висоту блискавковідводу або встановлювати кілька блискавковідводів.
Захист від вторинних впливу струму блискавки
Основним заходом боротьби з виникненням всередині будівель або споруд високих потенціалів внаслідок електростатичного індукції при атмосферних розрядах є заземлення всіх провідних елементів будівлі.
Для усунення впливу електромагнітної індукції в протяжних металевих елементах (трубопроводи, металоконструкції і т. п.) останні надійно з'єднують металевими перемичками.
Для усунення занесення високих потенціалів через повітряні і підземні комунікації вводи мереж електропостачання, радіофікації, сигналізації і зв'язку виконують кабельними і встановлюють вентильні розрядники (наприклад РВН-0,5) і іскрові проміжки, що спрацьовують при збільшенні напруги.