Реферат: Атмосферное электричество
ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА И ОПАСНЫЕ ФАКТОРЫ АТМОСФЕРНОГОЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Атмосферное электричество образуется и концентрируетсяв облаках — образованиях из мелких водяных частиц, находящихся в жидком итвердом состоянии.
Площадь океанов и морей составляет 71 % поверхностиземного шара. Каждый 1 см2 поверхности Земли в течение года всреднем получает 460 кДж солнечной энергии. Подсчитано, что из этого количества93 кДж/(см*год) расходуется на испарение воды с поверхностиводных бассейнов. Поднимаясь вверх, водяные пары охлаждаются и конденсируются вмельчайшую водяную пыль, что сопровождается выделением теплоты парообразования (2260кДж/л). Образовавшийся избыток внутренней энергии частично расходуется наэмиссию 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 льдадостаточно 0,6 эВ, поэтому основными эмитируемыми частицами являются молекулыводы и протоны. Количество эмитируемых протонов пропорционально массе частиц.Результирующий поток протонов всегда направлен от более крупных капелек кмелким. Соответственно более крупные капельки приобретают отрицательный заряд,а мелкие — положительный. Чистая вода — хороший диэлектрик и заряды наповерхности капелек сохраняются длительное время. Более крупные тяжелыеотрицательно заряженные капельки образуют нижний отрицательно заряженный слойоблака. Мелкие легкие капельки объединяются в верхний положительно заряженныйслой облака. Электростатическое притяжение разноименно заряженных слоевподдерживает сохранность облака как целого.
Эмиссия протонов возникает дополнительно прикристаллизации водяных частиц (превращении их в снежинки, градинки), так какпри этом выделяется теплота плавления, равная 335 кДж/л. При соударенияхкапелек, снежинок, градинок работа ветра в конечном счете приводит к эмиссиипротонов, к изменению величины заряда частиц. Следовательно, атмосферноеэлектричество (АтЭ) и статическое электричество (СтЭ) имеют одинаковуюфизическую природу. Различаются они масштабом образования зарядов и знакомэмитируемых частиц (электроны или протоны).
О единстве природы АтЭ и СтЭ свидетельствуют опытныеданные. Сухой снег представляет собой типичное сыпучее тело; при тренииснежинок друг о друга и их ударах о землю и о местные предметы снег долженэлектризоваться, что и происходит в действительности. Наблюдения на КрайнемСевере и в Сибири показывают, что при низких температурах во время сильныхснегопадов и метелей электризация снега настолько велика, что происходят зимниегрозы, в облаках снежной пыли бывают виднысиние и фиолетовые вспышки, наблюдаетсясвечение остроконечных предметов, образуются шаровые молнии. Очень; ильныеметели иногда заряжают телеграфные провода так сильно, что подк: лючаемые к нимэлектролампочки светятся полным накалом. Те же явления наблюдаются во времясильных пыльных (песчанных) бурь.
Наличие множества взаимодействующих факторов даетсложную картину распределения зарядов АтЭ в облаках и их частях. Поэкспериментальным данным нижняя часть облаков чаще всего имеет отрицательныйзаряд, а верхняя — положительный, но может иметь место и противоположнаяполярность частей облака. Облака могут также нести преимущественно заряд одногознака.
Заряд облака (части облака) образуют мельчайшиеодноименно заряженные частицы воды (в жидком и твердом состоянии), размещенныев объеме нескольких км3.
Электрический потенциал грозового облака составляетдесятки миллионов вольт, но может достигать 1 млрд. В. Однако общий зарядоблака равен нескольким кулонам.
Основной формой релаксации зарядов АтЭ является молния—электрический разряд между облаком и землей или между облаками (частямиоблаков). Диаметр канала молнии равен примерно 1 см, ток в канале молниисоставляет десятки килоампер, но может достигать 100 кА, температура в канале молнии равна примерно 25 000°С, продолжительность разряда составляет долисекунды.
Молния является мощным поражающим опасным фактором.Прямой удар молнии приводит к механическим разрушениям зданий, сооружений,скал, деревьев, вызывает пожары и взрывы, является прямой или косвеннойпричиной гибели людей. Механические разрушения вызываются мгновеннымпревращением воды и вещества в пар высокого давления на путях протекания тока молниив названных объектах. Прямой удар молнии называют первичным воздействиематмосферного электричества.
К вторичному воздействию АтЭ относят:электростатическую и электромагнитную индукции; занос высоких потенциалов вздания и сооружения.
Рассмотрим опасные факторы вторичного воздействия АтЭ.Образовавшийся электростатический заряд облака наводит (индукцирует) зарядпротивоположного знака на предметах, изолированных от земли (оборудованиевнутри и вне зданий, металлические крыши зданий, провода ЛЭП, радиосети и т.п.). Эти заряды сохраняются и после удара молнии. Они релаксируют обычно путемэлектрического разряда на ближайшие заземленные предметы, что может вызватьэлектротравматизм людей, воспламенение горючих смесей и взрывы. В этомзаключается опасность электростатической индукции.
Явление электромагнитной индукции заключается вследующем. В канале молнии протекает очень мощный и быстро изменяющийся вовремени ток. Он создает мощное переменное во времени магнитное поле. Такое полеиндуцирует в металлических контурах электродвижущую силу разной величины. Вместах 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 молниив металлокоммуникации, расположенные на уровне земли или над ней вне зданий, новходящие внутрь зданий. Здесь под металлокоммуникациями понимают рельсовыепути, водопроводы, газопроводы, провода ЛЭП и т. п. Занесение высоких потенциаловвнутрь здания сопровождается электрическими разрядами на заземленноеоборудование, что может привести к воспламенению горючих смесей иэлектротравматизму людей.
ЗАЩИТА ОТ АТМОСФЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Требуемая степень защиты зданий, сооружений и открытыхустановок от воздействия атмосферного электричества зависит отвзрывопожароопасности названных объектов и обеспечивается правильным выборомкатегории устройства молниезащиты и типа зоны защиты объекта от прямых ударовмолнии.
Степень взрывопожароопасности объектов оценивается поклассификации Правил устройства электроустановок (ПУЭ). Инструкция попроектированию и устройству молниезащиты СН 305— 77 устанавливает три категорииустройства молниезащиты (I, II, III) и два типа (А и Б) зон защиты объектов отпрямых ударов молнии. Зона защиты типа А обеспечивает перехват на пути кзащищаемому объекту не менее 99,5 % молний, а типа Б — не менее 95 %.
По I категорииорганизуется защита объектов, относимых по классификации ПУЭ к взрывоопаснымзонам классов В-1 и В-П (см. гл. 20). Зона защиты для всех объектов (независимоот места расположения объекта на территории СССР и от интенсивности грозовойдеятельности в месте расположения) применяется только типа А.
По II категорииосуществляется защита объектов, относимых по классификации ПУЭ к взрывоопаснымзонам классов В-1а, В-16 и В-Па. Тип зоны защиты при расположении объектов вместностях со средней грозовой деятельностью 10 ч и более в год определяется порасчетному количеству N поражений объекта молнией в течение года:
при N<=1 достаточна зона защиты типа Б; при N> 1должна обеспечиваться зона защиты типа А. Порядок расчета величины Nпоказан в нижеприведенном примере. Для наружных технологических установок иоткрытых 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 зонамклассов П-1, П-2 и П-2а. При расположении объектов в местностях со среднейгрозовой деятельностью 20 ч и более в год и при N> 2 должнаобеспечиваться зона защиты типа А, в остальных случаях — типа Б. По IIIкатегории 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 СН305—77.
Объекты I и II категорий устройства молниезащитыдолжны быть защищены от всех четырех видов воздействия атмосферногоэлектричества, а объекты III категории — от прямых ударов молнии и от заносавысоких потенциалов внутрь зданий и сооружений.
Защита от электростатической индукции заключается в отводе индуцируемых статических зарядовв землю путем присоединения металлического оборудования, расположенного внутрии вне зданий, к специальному заземлителю или к защитному заземлениюэлектроустановок; сопротивление заземлителя растеканию тока промышленнойчастоты должно быть не более 10Ом.
Для защиты от электромагнитной индукции между трубопроводами и другими протяженными металлокоммуникациямив местах их сближения на расстояние 10 см и менее через каждые 20 мустанавливают (приваривают) металлические перемычки, по которым наведенные токиперетекают из одного контура в другой без образования электрических разрядовмежду ними.
Защита от заноса высоких потенциалов внутрь зданий обеспечивается отводом потенциалов вземлю вне зданий путем присоединения металлокоммуникации на входе в здания кзаземлителям защиты от электростатической индукции или к защитным заземлениямэлектроустановок.
Для защиты объектов от прямых ударов молнии сооружаются молниеот-воды, принимающие на себя токмолнии и отводящие его в землю.
Объекты I категории молниезащиты защищают от прямыхударов молнии отдельно стоящими стержневыми, тросовыми молниеотводами илимолниеотводами, устанавливаемыми на защищаемом объекте, но электрическиизолированными от него.
Отдельно стоящий стержневой молниеотвод (рис. 18.5, а)состоит из опоры 1 (высотой до 25 м — из дерева, до 5м — из металла илижелезобетона), молниеприемника 2 (стальной профиль сечением не менее 100мм2), токоотвода 3 (сечением не менее 48 мм2) изаземлителя
/>
4. Зоназащиты молниеотвода представляет собой объем конуса, высота которого равна0,8*5 им для зоны, типа А и 0,92 им — типа Б (им — высота молниеотвода). Науровне земли зона защиты образует круг радиусом Го, для зоны типа А го==(1,1—0,002/1м)Ам,для зоны типа Б Го==1,5/1м.
В тросовом молниеотводе (рис. 18.5, б) в качествемолниеприемника используется горизонтальный трос, который закрепляется на двухопорах. Токоотводы присоединяются к обоим концам троса, прокладываются поопорам и присоединяются каждый к отдельному заземлителю.
При установке молниеотвода на здании должно бытьобеспечено 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 бытьобеспечено безопасное расстояние Sз между заземлителем и металлокоммуникациями,входящими в здание (см. рис. 18.5, а); оно определяется по формуле Sз==0,5Rи и должно быть не менее 3 м; Rн — импульсноеэлектросопротивление заземлителя.
Импульсное электросопротивление заземлителя длякаждого токоотвода на объектах I категории защиты должно быть не более 10 Ом.
Типовые конструкции заземлителей, удовлетворяющиеэтому требованию, приведены в инструкции СН 305—77.
Для защиты от ударов молнии объектов II категорииприменяют отдельно стоящие или установленные на защищаемом объекте неизолированные от него стержневые и тросовые молниеотводы. Допускаетсяиспользование в качестве молниеприемника металлической кровли здания илимолниеприемной сетки (из проволоки диаметром 6...8 мм и ячейками 6Х6 м),накладываемой на неметаллическую кровлю (рис. 18.5, г).
В качестве токоотводов рекомендуется использоватьметаллические конструкции зданий и сооружений, вплоть до пожарных лестниц назданиях. Импульсное сопротивление каждого заземлителя должно быть не более 10Ом, для наружных установок — не более 50 Ом.
Защита объектов III категории от прямых ударов молнииорганизуется так же, как для объектов II категории, но требования кзаземлителям ниже:
импульсное электросопротивление каждого заземлителя недолжно превышать 20 Ом, а при защите дымовых труб, водонапорных и силосныхбашен, пожарных вышек—50 Ом.