ЛЕКЦИЯ 14. Тема 8. «МОЛНИЕЗАЩИТА». Донской Государственный технический университет Кафедра «Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды» 2010

Рекомендуемая литература 1. Молния и ее характеристика. 2. Пожаро – и взрывоопасность воздействия молнии. 3. Классификация зданий и сооружений по устройству молниезащиты. Учебные вопросы 1.В.Н. Черкасов, Н.П. Костарёв. Пожарная безопасность электроустановок: Учебник. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2002, стр. 274÷ С.В. Собурь. Пожарная безопасность электроустановок: Пособие. М.: Пожкнига, 2010, стр

УЧЕБНЫЙ ВОПРОС 1. Молния и ее характеристика. Молния Молния представляет собой электрический разряд в атмосфере между заряженным облаком и землей, между разноименно заряженными частями облака или соседними облаками. Длина ее канала обычно достигает нескольких километров, причем значительная его часть находится в грозовом облаке. тепловые грозы фронтальные грозы До появления разряда происходит накопление и разделение электрических зарядов в облаке, чему способствуют аэродинамические и термические процессы: восходящие воздушные потоки, конденсация паров на высоте от 1 до 6 км, образование капель, их дробление. Вертикальные потоки теплого воздуха могут создаваться при усиленном местном нагреве почвы (тепловые грозы, охватывающие небольшое пространство) и во время вторжения клиновидной массы холодного воздуха (фронтальные грозы). 3

4 Образование зарядов в облаке: 1 – ионосфера; 2 – поляризованная капля; 3 – поток воздуха; 4 – облако. Е об Е г км Е н 6 км 1 км

линейной молнии Наибольшую опасность представляет нисходящая отрицательная молния между облаком и землей (объектом) в виде линейной молнии, с которой связано подавляющее большинство пожаров и повреждений зданий, сооружений, линий электропередач, подстанций. Электрическими характеристиками молнии являются амплитуда тока I м (наибольшее значение тока главного разряда первой компоненты), крутизна тока, длина фронта волны тока ф и длина волны тока в. 5 ф Ток молнии i м Время, IмIм 0,5I м в d di м Изменение тока молнии i м во времени

Амплитуда тока молнии I м, кА Процент амплитуд больших, чем указано на ординате, P Im Кривая вероятности амплитуд токов молнии (для высот над уровнем моря менее 500 м) Амплитуда I м Амплитуда I м изменяется в очень широких пределах, достигая иногда кА. Чем больше амплитуда, тем меньше вероятность ее появления.

7 Наиболее часты амплитуды более 30 кА. Они появляются примерно в 50 % случаев. Расчетной величиной считают I м = 100 кА, а в районах с малой грозовой деятельностью допустимо принимать 50 кА. Вероятность Р 1 может быть определена и по простой формуле lg Р 1 = I м /60, которая пригодна для хорошо заземленных объектов. При ударе молнии в трос, провод или в плохо проводящую почву вероятность уменьшается. С увеличением высоты местности кривая вероятности идет ниже. Для горных районов I м при одной и той же вероятности уменьшается вдвое ввиду малой интенсивности главного разряда. Играет роль и высокое удельное сопротивление почвы в горах (скалы, снег).

Крутизна Крутизна = di м /d характеризует скорость нарастания тока, т.е. отношение приращения тока i м к очень малому промежутку времени t, и является переменной величиной. Она меньше в начале и в конце восходящей ветви тока, на которой происходит быстрое его изменение, и велика в ее середине. Величина всегда превышает 5 кА/мкс и может достигать 80 кА/мкс. Длиной фронта Длиной фронта ф называют время от начала до конца нарастания тока молнии. На этом участке изменение тока наиболее интенсивное. Величина ф первых компонент составляет 1,5–10 мкс. Чем больше амплитуда, тем обычно больше и ф. Для последующих компонент длина фронта волны меньше примерно в 2,5 раза. За расчетную величину рекомендуется принимать ф = 1,5 мкс. Длиной волны Длиной волны принято считать время в, протекающее от начала до того момента, когда i м = 0,5 I м и изменяется от 20 до 100 мкс. Расчетной величиной принимают ф = 50 мкс. 8

9 УЧЕБНЫЙ ВОПРОС 2. Пожаро – и взрывоопасность воздействия молнии. 1. Молния прямым ударом первичным воздействием 1. Молния может поражать здания и установки непосредственно, что называется прямым ударом, или первичным воздействием. Прямой удар молнии характеризуется непосредственным контактом канала молнии со зданием или сооружением и сопровождается протеканием через него тока молнии. Молния вторичные воздействия 2. Молния может оказывать вторичные воздействия, объясняемые электростатической и электромагнитной индукцией, а также заносом высоких потенциалов через надземные и подземные металлические коммуникации, что является следствием прямого удара молнии. Вторичные воздействия создают опасность искрения внутри защищаемого объекта.

Воздействие прямого удара молнии 10 термические механические электрические Прямой удар молнии обуславливает следующие воздействия на объекты: термические, механические и электрические. Термическиевоздействия Термические воздействия связаны с резким выделением теплоты при прямом контакте канала молнии с содержимым пораженного объекта и при протекании через объект тока молнии. Канал молнии имеет высокую температуру ( С и выше) и запас тепловой энергии. При этом вероятность воспламенения горючей среды зависит не только и не столько от амплитуды тока, сколько от величины и времени протекания длительного тока молнии в ее финальной стадии. Особую опасность прямой удар молнии представляет для зданий и наружных установок, где по условиям технологического процесса может образоваться взрывоопасная среда, что встречается редко; чаще она образуется при нарушении технологических процессов, авариях оборудования, вентиляции.

11 Опасность поражения прямым ударом молнии некоторых наружных взрывоопасных установок связана с проплавлением молнией металлических поверхностей, перегревом их внутренних стенок или воспламенением взрывоопасных смесей паров и газов, выделяющихся через дыхательные и предохранительные клапаны, газоотводные трубы, свечи. Термическое воздействие токов молнии на проводники Термическое воздействие токов молнии на проводники вызывает не только их нагрев, но и оплавление. При этом может выделиться такое количество теплоты, которое при недостаточном сечении металла расплавит его или даже испарит. В целях повышения механической прочности и увеличения срока службы рекомендуется применять токоотводы сечением не менее 29 мм 2 из круглой стали и 16 мм 2 из меди.

12 Механические воздействия Механические воздействия токов молнии обусловливаются ударной волной, распространяющейся от канала молнии, и электродинамическими силами, действующими на проводники с токами молнии. Ток молнии, устремляясь в узкие каналы пробоя, вызывает резкое повышение температуры и испарение (взрыв) в них материала. При этом давление достигает значительных величин, что приводит к взрыву (расщеплению) токонепроводящих частей объекта, например расщепление деревянных сооружений и деревьев, разрушение незащищенных кирпичных дымовых труб, башен.

13 Электрические воздействия Электрические воздействия молнии связаны с поражением людей или животных электрическим током и появлением перенапряжений на пораженных элементах объекта. Перенапряжение пропорционально амплитуде и крутизне тока молнии, индуктивности конструкций и сопротивлению заземлителей, по которым ток молнии отводится в землю. Даже при выполнении молниезащиты прямые удары молнии с большими токами и крутизной могут привести к перенапряжениям в несколько мегавольт. Поэтому опасно укрываться во время грозы под деревьями, особенно высокими или стоящими отдельно, находиться вблизи металлических труб, мачт, молниеотводов, заземлителей и т.п.

14 Под вторичными воздействиями молнии подразумеваются явления во время близких разрядов молнии, сопровождающиеся появлением разностей потенциалов на конструкциях, трубопроводах и проводах внутри помещений и сооружений, не подвергающихся непосредственному прямому удару. Они возникают в результате электростатической и электромагнитной индукции. К ним можно отнести также появление разностей потенциалов внутри помещений вследствие заноса высоких потенциалов через надземные и подземные металлические коммуникации (трубопроводы, кабели, воздушные линии). Вторичные воздействия молнии

15 Электростатическая индукция Электростатическая индукция. Накопление в грозовом облаке и частичное перемещение зарядов в формирующийся канал молнии в ее начальной стадии вызывает скопление связанных зарядов противоположного знака на поверхности земли и наземных объектов. Электромагнитная индукция Электромагнитная индукция. Разряд молнии сопровождается появлением в пространстве быстро изменяющегося во времени магнитного поля, индуцирующего ЭДС, способную вызвать искрообразование в контурах из различных протяженных металлических предметов (трубопр., воздух-в, кабелей). Заносы высоких потенциалов Заносы высоких потенциалов в здания возможны по рельсовым путям, эстакадам, подземным трубопроводам, кабелям и другим протяженным металлическим коммуникациям и могут сопровождаться мощными электрическими разрядами не только при прямом ударе молнии, но и в том случае, когда эти коммуникации расположены вблизи элементов молниеотводов.

16 Тяжесть опасных последствий прямого удара молнии при ее термических, механических и электрических воздействиях, а также искрениях и перекрытиях, вызванных другими видами воздействий, зависит от конструктивно-планировочных особенностей зданий и сооружений и пожаро-взрывоопасности технологического процесса. три категории По устройству молниезащиты здания и сооружения разделены на три категории, отличающиеся по тяжести возможных последствий поражения молнией. УЧЕБНЫЙ ВОПРОС 3. Классификация зданий и сооружений по устройству молниезащиты. Категории молниезащиты

16 I категория I категория – здания и сооружения или их части с взрывоопасными зонами классов В-I и В-II по Правилам устройства электроустановок (ПУЭ-6,7). В них хранятся или содержатся постоянно, либо появляются во время производственного процесса смеси газов, паров или пыли горючих веществ с воздухом или иными окислителями, способные взорваться от электрической искры. II категория II категория – здания и сооружения или их части, в которых имеются взрывоопасные зоны классов В-Iа, В-Iб, В-IIа согласно ПУЭ. В них взрывоопасные смеси могут появляться лишь при аварии или неисправностях в технологическом процессе. К этой категории принадлежат также наружные технологические установки и склады, содержащие взрывоопасные газы и пары, горючие и легковоспламеняющиеся жидкости (газгольдеры, цистерны и резервуары, сливно-наливные эстакады), отнесенные по ПУЭ к взрывоопасным зонам класса В-Iг. III категория III категория – несколько вариантов зданий, в том числе: здания и сооружения с пожароопасными зонами классов П-I, П-II и П-IIа согласно ПУЭ; наружные технологические установки, открытые склады горючих веществ, где применяются или хранятся горючие жидкости с температурой вспышки паров выше 61 С или твердые горючие вещества, отнесенные по ПУЭ к зоне класса П-III. 17

18 Обязательность устройства молниезащиты При выборе категории устройств молниезащиты учитывают важность объекта, его высоту, расположение соседних объектов, интенсивность грозовой деятельности и другие факторы. Интенсивность грозовой деятельности характеризуется средним количеством грозовых часов в год n ч или количеством грозовых дней в году n д. Более важной и информативной характеристикой для оценки возможного числа поражений объектов молнией является плотность ударов нисходящих молний на единицу земной поверхности. Средняя продолжительность гроз, ч и более Удельная плотность ударов молнии в землю, 1/(км 2 год), n 12

1919 Используя значения n, можно определить ожидаемое количество поражений молнией в год N: для зданий и сооружений прямоугольной формы для сосредоточенных зданий и сооружений (дымовые трубы, вышки, башни) где h x – наибольшая высота здания или сооружения, м; S и L – соответственно ширина и длина здания или сооружения, м; n - среднегодовое число ударов молнии в 1 км 2 земной поверхности (удельная плотность ударов молнии в землю). N = [(S+6h x )(L+6h x )-7,7h 2 x ]n10 -6, N = 9π h 2 x n10 -6,

20 здания и сооружения I ка- тегории На всей территории России здания и сооружения I ка- тегории должны быть обязательно защищены от прямых ударов молнии, электростатической и электромагнитной индукции и заноса в них высокого потенциала через наземные и подземные коммуникации, а молниеотводы должны предусматриваться с зонами защиты А. Здания и сооружения II категории Здания и сооружения II категории должны быть защищены от прямых ударов молнии, вторичных ее воздействий и заноса в них высоких потенциалов через наземные и подземные коммуникации только в местностях со средней продолжительностью гроз n ч 10. Здания и сооружения III категории Здания и сооружения III категории (с зонами классов П-I, П-II, П-IIа) подлежат молниезащите в местностях со средней продолжительностью гроз 20 и более часов в год, а тип зоны защиты молниеотводов зависит от степени огнестойкости здания. Вывод: Вывод: обязательность устройства молниезащиты зданий или сооружений I, II и III категории определяется средней продолжительностью гроз n ч и ожидаемым количеством поражений N молнией в год. При несовпадении одного из этих показателей с величинами по нормам устройство молниезащиты становится необязательным.

21 Молниезащита Молниезащита представляет собой комплекс мероприятий, направленных на предотвращение прямого удара молнии в объект или на устранение опасных последствий, связанных с прямым ударом; к этому комплексу относятся также средства защиты, предохраняющие объект от вторичных воздействий молнии и заноса высокого потенциала. К основным требованиям могут быть отнесены: соответствие молниезащиты категории здания характеру производственного процесса в здании, сооружении, на всем объекте; возможность типизации конструктивных элементов молниезащиты; надежность действия всех ее элементов и «равнопрочность» их в этом отношении; большой срок службы, достигающий десятка и более лет; возможность применения не дорогостоящих материалов и использования конструктивных элементов здания и сооружения; Требования к устройствам молниезащиты

22 сравнительно несложная эксплуатация и доступность ко всем элементам при контроле, восстановлении или ремонте. при выполнении молниезащиты зданий и сооружений всех категорий для повышения безопасности людей следует размещать заземлители (кроме углубленных) в редко посещаемых местах (на газонах, кустарниках), в удалении на 5 и более метров от основных грунтовых, проезжих и пешеходных дорог, располагать под асфальтовыми покрытиями, устанавливать предупреждающие плакаты; для снижения опасности шаговых напряжений рекомендуется применять углубленные и рассредоточенные заземлители в виде лучей; при ширине зданий и сооружений более 100 м необходимо выполнять мероприятия по выравниванию потенциала внутри здания.