ФІЗИЧНА ПРИРОДА І НЕБЕЗПЕЧНІ ФАКТОРИ атмосферної електрики
Атмосферний електрику утворюється і концентрується в хмарах - утвореннях з дрібних водяних частинок, що знаходяться в рідкому і твердому стані.
Площа океанів і морів складає 71% поверхні земної кулі. Кожен 1 см2 поверхні Землі протягом року в середньому отримує 460 кДж сонячної енергії. Підраховано, що з цієї кількості 93 кДж/(см * рік) витрачається на випаровування води з поверхні водних басейнів. Піднімаючись вгору, водяні пари охолоджуються і конденсуються в найменшу водяний пил, що супроводжується виділенням теплоти пароутворення (2260 кДж/л). Утворився надлишок внутрішньої енергії частково витрачається на емісію часток з поверхні найдрібніших водяних краплинок. Для відділення від молекули води протона (Н) потрібно 5,1 еВ, для відділення електрона -12,6 еВ, а для відділення молекули від кристала льоду достатньо 0,6 еВ, тому основними емітуються частками є молекули води і протони. Кількість емітованих протонів пропорційно масі частинок. Результуючий потік протонів завжди спрямований від більш великих крапельок до дрібних. Відповідно більш великі крапельки набувають негативний заряд, а дрібні - позитивний. Чиста вода - гарний діелектрик і заряди на поверхні крапельок зберігаються тривалий час. Більш великі важкі негативно заряджені крапельки утворюють нижній негативно заряджений шар хмари. Дрібні легкі крапельки об'єднуються у верхній позитивно заряджений шар хмари. Електричне тяжіння різнойменної заряджених верств підтримує збереження хмари як цілого.
Емісія протонів виникає додатково при кристалізації водяних часток (перетворення їх у сніжинки, градінкі), тому що при цьому виділяється теплота плавлення, що дорівнює 335 кДж/л. При зіткненні крапельок, сніжинок, градінок робота вітру в кінцевому рахунку призводить до емісії протонів, до зміни величини заряду частинок. Отже, атмосферний електрику (АтЭ) і статичну електрику (СтЕ) мають однакову фізичну природу. Розрізняються вони масштабом освіти зарядів і знаком емітованих часток (електрони або протони).
Про єдність природи АтЭ і СтЕ свідчать досвідчені дані. Сухий сніг є типовим сипуча тіло; при терті сніжинок один про одного і їх ударах об землю і про місцеві предмети сніг повинен електризувала, що і відбувається насправді. Спостереження на Крайній Півночі та в Сибіру показують, що при низьких температурах під час сильних снігопадів і хуртовин електризація снігу настільки велика, що відбуваються зимові грози, в хмарах сніжного пилу бувають видні сині, фіолетові спалаху, спостерігається світіння гострих предметів, утворюються кульові блискавки. Дуже; ільние хуртовини іноді заряджають телеграфні дроти так сильно, що підг: Лючано до них електролампочки світяться повним напруженням. Ті ж явища спостерігаються під час сильних запорошених (піщано) бур.
Наявність безлічі взаємодіючих факторів дає складну картину розподілу зарядів АтЭ в хмарах та їх частинах. За експериментальними даними нижня частина хмар частіше за все має негативний заряд, а верхня - позитивний, але може мати місце і протилежна полярність частин хмари. Хмари можуть також нести переважно заряд одного знаку.
Заряд хмари (частини хмари) утворюють найдрібніші однойменно заряджені частинки води (у рідкому і твердому стані), розміщені в обсязі кількох км3.
Електричний потенціал грозового хмари складає десятки мільйонів вольт, але може досягати 1 млрд. В. Однак загальний заряд хмари дорівнює декільком кулоном.
Основною формою релаксації зарядів АтЭ є блискавка-електричний розряд між хмарою і землею або між хмарами (частинами хмар). Діаметр каналу блискавки дорівнює приблизно 1 см, струм в каналі блискавки становить десятки кілоампер, але може досягати 100 кА, температура в каналі блискавки дорівнює приблизно 25 000 ° С, тривалість розряду складає долі секунди.
Блискавка є потужним вражаючим небезпечним фактором. Прямий удар блискавки призводить до механічних руйнувань будівель, споруд, скель, дерев, викликає пожежі і вибухи, є прямою або непрямою причиною загибелі людей. Механічні руйнування викликаються миттєвим перетворенням води і речовини в пар високого тиску на шляхах протікання струму блискавки в названих об'єктах. Прямий удар блискавки називають первинним впливом атмосферної електрики.
До вторинного впливу АтЭ відносять: електростатичну і електромагнітну індукції; занос високих потенціалів в будівлі і споруди.
Розглянемо небезпечні фактори впливу вторинного АтЭ. Утворений електростатичний заряд хмари наводить (індукцірует) заряд протилежного знаку на предметах, ізольованих від землі (обладнання всередині та поза будівлями, металеві дахи будинків, проводи ЛЕП, радіомережі і т. п.). Ці заряди зберігаються і після удару блискавки. Вони релаксує зазвичай шляхом електричного розряду на найближчі заземлені предмети, що може викликати електротравматизму людей, займання горючих сумішей і вибухи. У цьому полягає небезпека електростатичного індукції.
Явище електромагнітної індукції полягає в наступному. У каналі блискавки протікає дуже потужний і швидко змінюється в часі струм. Він створює потужне змінна в часі магнітне поле. Таке поле індукує в металевих контурах електрорушійну силу різної величини. У місцях зближення контурів між ними можуть відбуватися електричні розряди, здатні запалити горючі суміші та викликати електротравматизму.
Занос високих потенціалів в будівлю відбувається в результаті прямого удару блискавки в металлокоммунікаціі, розташовані на рівні землі або над нею поза будівлями, але входять всередину будівель. Тут під металлокоммунікаціямі розуміють рейкові шляхи, водопроводи, газопроводи, проводи ЛЕП і т. п. Занесення високих потенціалів всередину будівлі супроводжується електричними розрядами на заземлені обладнання, що може призвести до займання горючих сумішей і електротравматизму людей.
ЗАХИСТ ВІД атмосферної електрики
Необхідна ступінь захисту будівель, споруд і відкритих установок від дії атмосферної електрики залежить від вибухопожежонебезпекою названих об'єктів і забезпечується правильним вибором категорії пристрої захисту від блискавок і типу зони захисту об'єкту від прямих ударів блискавки.
Ступінь вибухопожежонебезпекою об'єктів оцінюється за класифікацією Правил улаштування електроустановок (ПУЕ). Інструкція з проектування і пристрою блискавкозахисту СН 305 - 77 встановлює три категорії пристрої блискавкозахисту (I, II, III) і два типи (А і Б) зон захисту об'єктів від прямих ударів блискавки. Зона захисту типу А забезпечує перехоплення на шляху до захищаємий об `єкт не менше 99,5% блискавок, а типу Б - не менше 95%.
За I категорії організується захист об'єктів, що відносяться за класифікацією ПУЕ до вибухонебезпечних зонах класів В-1 і В-П (див. гл. 20). Зона захисту для всіх об'єктів (незалежно від місця розташування об'єкта на території СРСР і від інтенсивності грозової діяльності в місці розташування) застосовується тільки типу А.
По II категорії здійснюється захист об'єктів, що відносяться за класифікацією ПУЕ до вибухонебезпечних зонах класів В-1а, В-16 і В-Па. Тип зони захисту у разі розташування об'єктів в місцевостях із середньою грозовий діяльністю 10 год і більше на рік визначається за розрахунковим кількості N поразок об'єкта блискавкою протягом року:
при N 1 повинна забезпечуватися зона захисту типу А. Порядок розрахунку величини N показаний у нижче наведеному прикладі. Для зовнішніх технологічних установок і відкритих складів, що відносяться по ПУЕ до зон класу В-1г, на всій території СРСР (без розрахунку N) приймається зона захисту типу Б.
За III категорії організується захист об'єктів, що відносяться по ПУЕ до пожежонебезпечних зонах класів П-1, П-2 і П-2а. При розташуванні об'єктів в місцевостях із середньою грозовий діяльністю 20 год і більше на рік і при N> 2 повинна забезпечуватися зона захисту типу А, в інших випадках - типу Б. За III категорії здійснюється також грозозахист громадських і житлових будівель, веж, вишок, труб , підприємств, будівель та споруд сільськогосподарського призначення. Тип зони захисту цих об'єктів визначається відповідно до вказівок СН 305-77.
Об'єкти I і II категорій пристрої блискавкозахисту повинні бути захищені від усіх чотирьох видів впливу атмосферної електрики, а об'єкти III категорії - від прямих ударів блискавки і від заносу високих потенціалів всередину будівель і споруд.
Захист від електростатичного індукції полягає у виведенні індукованих статичних зарядів у землю шляхом приєднання металевого обладнання, розташованого всередині і поза будівлями, до спеціального заземлювача або до захисного заземлення електроустановок; опір заземлювача розтікання струму промислової частоти повинно бути не більше 10 Ом .
Для захисту від електромагнітної індукції між трубопроводами та іншими протяжними металлокоммунікаціямі в місцях їх зближення на відстань 10 см і менше через кожні 20 м встановлюють (приварюють) металеві перемички, за якими наведені струми перетікають із одного контуру в інший без освіти електричних розрядів між ними.
Захист від заносу високих потенціалів всередину будівель забезпечується відведенням потенціалів в землю поза будівлями шляхом приєднання металлокоммунікаціі на вході до будівлі до заземлювачами захисту від електростатичного індукції або до захисних заземлень електроустановок.
Для захисту об'єктів від прямих ударів блискавки споруджуються молніеот-води, що приймають на себе струм блискавки і відводять його в землю.
Об'єкти I категорії блискавкозахисту захищають від прямих ударів блискавки, що окремо стоять стрижневими, тросовими громовідводи або громовідводи, що встановлюються на захищається об'єкті, але електрично ізольованими від нього.
Окремо розташований стрижневий Блискавковідвід (рис. 18.5, а) складається з опори 1 (висотою до 25 м - з дерева, до 5м - з металу або залізобетону), молніепріемніка 2 (сталевий профіль перерізом не менше 100 мм2), струмовідводу 3 (перерізом не менше 48 мм2) і заземлювача 
4. Зона захисту громовідводи являє собою обсяг конуса, висота якого дорівнює 0,8 * 5 їм для зони, типу А і 0,92 їм - типу Б (їм - висота громовідводи). На рівні землі зона захисту утворює коло радіусом Го, для зони типу А го == (1,1-0,002/1м) Ам, для зони типу Б Го == 1,5/1м.
У тросове Блискавковідводи (рис. 18.5, б) як молніепріемніка використовується
горизонтальний трос, який закріплюється на двох опорах. Струмовідводи долучаються до обох кінцях тросу, прокладаються по опорах і приєднуються кожен до окремого заземлювача.
При установці громовідводи на будівлі має бути забезпечене безпечну відстань Sв по повітрю між струмовідводів і захищається об'єктом, що виключає можливість електроразряда між ними (рис. 18.5, в). Крім того, для попередження заносу високих потенціалів через грунт має бути забезпечене безпечну відстань Sз між заземлювачів і металлокоммунікаціямі, що входять до будівлі (див. рис. 18.5, а); воно визначається за формулою Sз == 0,5 Rі і повинно бути не менше 3 м; Rн - імпульсна Електроопір заземлювача.
Імпульсне Електроопір заземлювача для кожного струмовідводу на об'єктах I категорії захисту повинно бути не більше 10 Ом.
Типові конструкції заземлювачів, що задовольняють цій вимозі, наведені в інструкції СН 305-77.
Для захисту від ударів блискавки об'єктів II категорії застосовують окремо стоять або встановлені на захищається об'єкті не ізольовані від нього стрижневі й тросові громовідводи. Допускається використання як молніепріемніка металевої покрівлі будівлі або молніепріемной сітки (з дроту діаметром 6 ... 8 мм і осередками 6х6 м), що накладається на неметалічну покрівлю (рис. 18.5, г).
Як струмовідводів рекомендується використовувати металеві конструкції будівель і споруд, аж до пожежних сходів на будівлях. Імпульсне опір кожного заземлювача повинно бути не більше 10 Ом, для зовнішніх установок - не більше 50 Ом.
Захист об'єктів III категорії від прямих ударів блискавки організується так само, як для об'єктів II категорії, але вимоги до заземлювачами нижче:
імпульсна Електроопір кожного заземлювача не повинно перевищувати 20 Ом, а при захисті димових труб, водонапірних башт і силосних, пожежних вишок-50 Ом.
