Молниязащита

Спрайты

Основная  статья: Спрайт (молния)

Спрайты трудно различимы, но они появляются почти в любую грозу на высоте от 55 до 130 километров (высота образования «обычных» молний — не более 16 километров). Это некое подобие молнии, бьющей из облака вверх. Впервые это явление было зафиксировано в 1989 году случайно. Сейчас о физической природе спрайтов известно крайне мало.

Ударная волна от молнии

Разряд молнии является электрическим взрывом и в некоторых аспектах похож на детонацию взрывчатого вещества. Он вызывает появление ударной волны, опасной в непосредственной близости. Ударная волна от достаточно мощного грозового разряда на расстояниях до нескольких метров может наносить разрушения, ломать деревья, травмировать и контузить людей даже без непосредственного поражения электрическим током. Например, при скорости нарастания тока 30 тысяч ампер за 0,1 миллисекунду и диаметре канала 10 см могут наблюдаться следующие давления ударной волны^[12]:

• на расстоянии от центра 5 см (граница светящегося канала молнии) — 0,93 МПа,
• на расстоянии 0,5 м — 0,025 МПа (разрушение непрочных строительных конструкций и травмы человека),
• на расстоянии 5 м — 0,002 МПа (выбивание стёкол и временное оглушение человека).

На бо́льших расстояниях ударная  волна вырождается в звуковую волну — гром.

Люди и молния

Молнии — серьёзная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах, так как электрический ток идёт по кратчайшему пути «грозовое облако-земля». Часто молния попадает в деревья и трансформаторные установки на железной дороге, вызывая их возгорание. Поражение обычной линейной молнией внутри здания невозможно, однако бытует мнение, что так называемая шаровая молния может проникать через щели и открытые окна. Обычный грозовой разряд опасен для телевизионных и радиоантенн, расположенных на крышах высотных зданий, а также для сетевого оборудования.

В организме пострадавших отмечаются такие же патологические изменения, как при поражении электротоком. Жертва теряет сознание, падает, могут отмечаться судороги, часто останавливается дыхание и сердцебиение. На теле обычно можно обнаружить метки тока, места входа и выхода электричества. В случае смертельного исхода причиной прекращения основных жизненных функций является внезапная остановка дыхания и сердцебиения, от прямого действия молнии на дыхательный и сосудодвигательный центры продолговатого мозга. На коже часто остаются так называемые знаки молнии, древовидные светло-розовые или красные полосы, исчезающие при надавливании пальцами (сохраняются в течение 1 — 2 суток после смерти). Они — результат расширения капилляров в зоне контакта молнии с телом.

Пострадавший от удара молнией  нуждается в госпитализации, так  как подвержен риску расстройств  электрической активности сердца. До приезда квалифицированного медика ему может быть оказана первая помощь. В случае остановки дыхания показано проведение реанимации, в более легких случаях - помощь зависит от состояния и симптомов.

3.2 Основные характеристики  и их размерность

Молния представляет собой гигантский электрический искровой разряд между облаками и земной поверхностью, или между облаками, или между разными частями облака. Форма молнии обычно похожа на разветвленные корни разросшегося в поднебесье дерева.  

- Длина линейной молнии составляет несколько километров, но может достигать 20 км и более.

- Основной канал молнии имеет несколько ответвлений длиной 2-3 км.

- Диаметр канала молнии составляет от 10 до 45 см.

- Длительность существования молнии составляет десятые доли секунды. Средняя скорость движения молнии 150 км/с.

- Сила тока внутри канала молнии доходит до 200000 А.

- Температура плазмы в молнии превышает 10000°С.

- Напряженность электрического поля внутри грозового облака составляет от 100 до 300 вольт/см, но перед разрядом молнии в отдельных небольших объемах она может доходить до 1600 вольт/см.

- Средний заряд грозового облака составляет 30-50 кулонов.

- В каждом разряде молнии переносится от 1 до 10 кулонов электричества.

Наряду с наиболее распространенной линейной молнией иногда встречаются  ракетообразная, четочная и шаровая  молнии.

Ракетообразная молния наблюдается очень редко. Она длится 1-1,5 сек и представляет собой медленно развивающийся между облаками разряд.

К весьма редким видам молнии следует  отнести и четочную. Она имеет общую длительность 0,5 сек и представляется глазу на фоне облаков в виде светящихся четок диаметром около 7 см.

Шаровая молния в большинстве случаев представляет собой сферическое образование диаметром у земной поверхности 10-20 см, а на высоте облаков до 10 м.

На Земле ежесекундно наблюдается  в среднем около 100 разрядов линейной молнии, средняя мощность, которая  затрачивается в масштабе всей Земли  на образование гроз равняется 1018 эрг/сек.

Интересно отметить, что энергия  конденсации, выделяющаяся в грозовом облаке средних размеров с площадью основания около 30 км2 при дожде  средней интенсивности, составляет около 1021 эрг. То есть, энергия, выделяющаяся при выпадении осадков из грозового  облака, значительно превышает его  электрическую энергию.

 

3.3 Основные методы защиты

Комплекс средств молниезащиты

Комплекс средств молниезащиты зданий или сооружений включает в  себя устройства защиты от прямых ударов молнии (внешняя молниезащитная система - МЗС) и устройства защиты от вторичных  воздействий молнии (внутренняя МЗС). В частных случаях молниезащита может содержать только внешние  или только внутренние устройства. В общем случае часть токов  молнии протекает по элементам внутренней молниезащиты.

Внешняя МЗС может быть изолирована от сооружения (отдельно стоящие молниеотводы - стержневые или тросовые, а также  соседние сооружения, выполняющие функции  естественных молниеотводов) или может быть установлена на защищаемом сооружении и даже быть его частью.

Внутренние  устройства молниезащиты предназначены  для ограничения электромагнитных воздействий тока молнии и предотвращения искрений внутри защищаемого объекта.

Токи  молнии, попадающие в молниеприемники, отводятся в заземлитель через  систему токоотводов (спусков) и  растекаются в земле.

 

Внешняя молниезащитная система

Внешняя МЗС в общем случае состоит  из молниеприемников, токоотводов и  заземлителей. В случае специального изготовления их материал и сечения  должны удовлетворять требованиям таблице 1

 

                                                                                                      Т а б л и ц а 1

 

Материал и минимальное сечение  внешней МЗС

 

Уровень   защиты	Материал	Сечение, кв. мм
		молниеприемника	токоотвода	заземлителя
I - IV	Сталь	50	50	80
I - IV	Алюминий	70	25	Не применяется
I - IV	Медь	35	16	50

 

Примечание. Указанные значения могут быть увеличены  в зависимости от повышенной коррозии или механических воздействий.

       1 Молниеприемники

Общие соображения

Молниеприемники могут быть специально установленными, в том числе на объекте, либо их функции выполняют конструктивные элементы защищаемого объекта; в  последнем случае они называются естественными молниеприемниками.

Молниеприемники могут состоять из произвольной комбинации следующих элементов: стержней, натянутых  проводов (тросов), сетчатых проводников (сеток).

 Естественные  молниеприемники

Следующие конструктивные элементы зданий и сооружений могут рассматриваться как естественные молниеприемники:

а) металлические  кровли защищаемых объектов при условии, что:

электрическая непрерывность между разными  частями обеспечена на долгий срок;

толщина металла кровли составляет не менее  величины t, приведенной в таблице 2, если необходимо предохранить кровлю от повреждения или прожога;

толщина металла кровли составляет не менее 0,5 мм, если ее необязательно защищать от повреждений и нет опасности  воспламенения находящихся под  кровлей горючих материалов;

кровля  не имеет изоляционного покрытия. При этом небольшой слой антикоррозионной краски, или слой 0,5 мм асфальтового покрытия, или слой 1 мм пластикового покрытия не считается изоляцией;

неметаллические покрытия на/или под металлической  кровлей не выходят за пределы  защищаемого объекта;

б) металлические  конструкции крыши (фермы, соединенная  между собой стальная арматура);

в) металлические  элементы типа водосточных труб, украшений, ограждений по краю крыши и т.п., если их сечение не меньше значений, предписанных для обычных молниеприемников;

г) технологические  металлические трубы и резервуары, если они выполнены из металла  толщиной не менее 2,5 мм и проплавление или прожог этого металла не приведет к опасным или недопустимым последствиям;

 

                                                                                               Т а б л и ц а 2

Толщина кровли, трубы или корпуса резервуара,выполняющих функции естественного молниеприемника

 

Уровень защиты	Материал	Толщина t, мм, не менее
I - IV	Железо	4
I - IV	Медь	5
I - IV	Алюминий	7

 

       2 Токоотводы

Общие соображения

В целях  снижения вероятности возникновения  опасного искрения токоотводы должны располагаться таким образом, чтобы  между точкой поражения и землей:

а) ток  растекался по нескольким параллельным путям;

б) длина  этих путей была ограничена до минимума.

Расположение  токоотводов в устройствах молниезащиты, изолированных от защищаемого объекта

Если  молниеприемник состоит из стержней, установленных на отдельно стоящих  опорах (или одной опоре), на каждую опору должен быть предусмотрен минимум  один токоотвод.

Если  молниеприемник состоит из отдельно стоящих горизонтальных проводов (тросов) или из одного провода (троса), на каждый конец троса требуется минимум  по одному токоотводу.

Если  молниеприемник представляет собой  сетчатую конструкцию, подвешенную  над защищаемым объектом, на каждую ее опору требуется не менее одного токоотвода. Общее количество токоотводов  должно быть не менее двух.

 Расположение  токоотводов при неизолированных  устройствах молниезащиты

Токоотводы  располагаются по периметру защищаемого  объекта таким образом, чтобы  среднее расстояние между ними было не меньше значений, приведенных в таблице 3.

 

                                                                                               Т а б л и ц а 3

Среднее расстояние между токоотводами в  зависимости от уровня защищености

 

Уровень защиты	Среднее расстояние, м
I	10
II	15
III	20
IV	25

 

Токоотводы  соединяются горизонтальными поясами  вблизи поверхности земли и через  каждые 20 м по высоте здания.

3 Молниеотводы

Молниеотвод представляет собой возвышающееся  над защищаемым объектом устройство, воспринимающее прямой удар молнии и  отводящее токи молнии (посредством  определенной системы заземления) в  землю. Каждый молниеотвод независимо от типа состоит из следующих основных элементов на рисунке 1: молниеприемника 1, непосредственно воспринимающего  прямой удар молнии; несущей конструкции 2, предназначенной для установки  молниеприемника; токоотвода 3, обеспечивающего  отвод тока молнии к заземлителю; заземлителя 4, отводящего ток молнии в землю и обеспечивающего  контакт с землей молниеприемника  и токоотвода.