МОЛНИЯ. МОЛНИЕЗАЩИТА

МОЛНИЯ — разряд атмосферного электричества между облаками или между облаками и земной поверхностью, также он может быть с какими-либо наземными сооружениями с большой длиной искрового канала [1].

90 % разрядов, представляющих пожарную опасность, начинаются в грозовых отрицательно заряженных облаках с развития слабо светящегося канала, который двигается прерывисто (ступенями).

По направлению движения начального лидера (от облака вниз или от наземного сооружения вверх) различают:

· нисходящие;

· восходящие молнии.

Стадии развития молнии

Молния переносит с облака на землю положительный или отрицательный заряд. Знак заряда определяет ее полярность. Молнии с отрицательным зарядом встречаются значительно чаще, и их параметры более подробно изучены.

Отрицательная нисходящая молния развивается в три стадии, которые образуют компоненту. За первой компонентой, как правило, идут последующие. Их количество может достигать нескольких десятков.

Разряд молнии начинается при появлении лидера. Он оказывает тепловое, механическое и электрическое воздействие на объекты, через которые проходит.

Лидер молнии состоит из канала, головки канала и стримерной зоны. Канал лидера молнии — это плазменное образование, через которое протекает ток. Канал прорастает, пробивая промежуток между облаком и землей. Он несет огромный потенциал в десятки мегавольт, а сила тока в нем исчисляется сотнями ампер. Величина распределенного по его длине заряда электричества достигает нескольких кулон. Так, за миллисекунды происходит лидерная стадия развития молнии.

Далее следует наиболее опасный процесс, наподобие короткого замыкания (см. КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ), — главная стадия. Высокотемпературный проводящий канал замыкается на землю и провоцирует переходный процесс разряда протяженной заряженной системы, созданной лидером.

На этой стадии импульс тока может протекать по каналу за сотни микросекунд с амплитудой уже в несколько сотен килоампер. Скорость его распространения соизмерима со скоростью света. Главную стадию сопровождают световые вспышки (см. ВСПЫШКА), яркое свечение и раскаты грома. Гром вызывают колебания воздуха, когда нагретая молнией волна воздуха сталкивается с холодной.

На финальной стадии канал молнии продолжает переносить заряд к земле, но менее интенсивно. Тем не менее, для этой стадии характерна большая длительность тока, которой, в основном, обусловлено термическое воздействие молнии.

Мощную разрушительную силу атмосферного электричества трудно недооценить. С ней связана целесообразность установки специальных систем — молниезащиты и заземления.

Основные проявления опасности молнии

Возникновение молнии приводит к опасностям, имеющим отношение к проблемам обеспечения пожарной безопасности. Например:

· прямой удар молнии — непосредственный контакт канала молнии с землей, молниеприемником, объектом защиты или другим объектом, сопровождающийся протеканием импульсов тока молнии;

· вторичные проявления молнии — вызваны проявлением тока или разности потенциалов в металлических элементах конструкции, оборудования или в электропроводящих контурах и обусловлены изменяющимся во времени электростатическим полем заряда молнии (электростатической индукцией) или изменением во времени потока вектора магнитной индукции тока молнии. Вторичные проявления молнии создают опасность появления источников зажигания (см. ИСТОЧНИК ЗАЖИГАНИЯ). Опасность этих проявлений следует учитывать даже в случаях, когда прямой удар молнии происходит на значительном (до 4 км) расстоянии от объекта защиты;

· занос высокого потенциала — заключается в проникновении (по трубопроводу, линии электропитания или связи и т. п.) волны высокого напряжения, вызванной молнией в протяженной металлической коммуникации (подземной, наземной, надземной) в зону защиты системы молниезащиты;

· термическое воздействие — связано с выделением тепла при протекании тока молнии;

· механическое воздействие — связано с электродинамическими силами, действующими на проводники с током молнии или обусловленными ударной волной, распространяющейся от канала молнии [3].

МОЛНИЕЗАЩИТА — система предупреждения опасных последствий воздействия молнии на объект защиты [1].

В современном нормировании молнии обеспечиваются системой молниезащиты, которая является комплексной, включающей в себя две составляющие:

· наружную, обеспечивающую защиту от прямых ударов молнии;

· внутреннюю, обеспечивающую защиту от проявлений молнии, заноса высокого потенциала, шагового напряжения, устраиваемую в соответствии с зоновой концепцией молнии и с соблюдением безопасных расстояний, с установкой перемычек, ограничителей перенапряжений и устройств защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений.

Категория молниезащиты объекта (см. ОБЪЕКТ ЗАЩИТЫ) определяется на основании оценки факторов риска и степени опасности удара молнии для самого объекта и объектов, расположенных в непосредственной близости.

По уровню молниезащиты объекты классифицируются на четыре категории эффективности:

· I — эффективность 99 %;

· II — эффективность 97 %;

· III — эффективность 91 %;

· IV — эффективность 84 % [2].

Внешняя молниезащита

Внешняя молниезащита представляет собой систему, обеспечивающую перехват молнии и отвод ее в землю, тем самым защищающую здание (сооружение) от повреждения и пожара (см. ПОЖАР).

В момент прямого удара молнии в строительный объект правильно спроектированное и сооруженное молниезащитное устройство должно принять на себя ток молнии и отвести его по токоотводам в систему заземления (см. ЗАЗЕМЛЕНИЕ), где энергия разряда должна безопасно рассеяться.

Прохождение тока молнии должно произойти без ущерба для защищаемого объекта и быть безопасным для людей, находящихся как внутри, так и снаружи этого объекта.

Тип громоотвода выбирается в зависимости от особенностей объекта защиты, а также параметров местности. Решение в пользу того или иного варианта принимается с учетом правил, установленных ГОСТ и ПУЭ (см. НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ ПО ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ). Определение лучшего варианта системы выполняется в процессе создания проекта молниезащиты и заземления.

Выбор в пользу отдельно стоящего молниеотвода обычно связан с невозможностью закрепить конструкции системы громоотводов непосредственно к самому защищаемому объекту.

Все соединения комплектующих деталей выполняются болтами с последующей электросваркой в местах контакта материалов. В некоторых случаях болтовые соединения могут быть заменены на сварные.

Отдельно стоящий молниеотвод разрабатывается для каждого объекта с учетом следующих основных характеристик:

· площадь объекта;

· средние показатели ветровой нагрузки (метеорологические данные для участка или местности);

· тип объекта (электростанция, подстанция, строительная площадка и т. д.);

· расположение защищаемого объекта относительно других построек или конструкций.

Существуют следующие виды внешней молниезащиты:

· молниеприемная сеть;

· натянутый молниеприемный трос;

· молниеприемный стержень.

Помимо вышеупомянутых традиционных решений (приведенных как в международном стандарте МЭК 62305.4, так и в российских нормативных документах РД 34.21.122-87 и CO 153-343.21.122-2003) с середины 2000-х годов применяется молниезащита с системой ранней стримерной эмиссии, которую также называют активной молниезащитой. Однако нет никаких надежных доказательств того, что активная молниезащита работает эффективнее, чем традиционная молниезащита тех же размеров.

Конструкция внешней молниезащиты

1) Молниеотвод — устройство, воспринимающее удар молнии и отводящее ее ток в землю. Он состоит из:

· опоры;

· молниеприемника;

· токоотвода (спуска) и заземлителя, обеспечивающего перетекание тока молнии в землю и последующее растекание его в земле.

Функции опоры, молниеприемника и токоотвода могут совмещаться при применении в качестве молниеотвода металлических труб, ферм, прожекторных мачт.

Молниеотводы разделяются на отдельно стоящие, обеспечивающие растекание тока молнии, минуя объект, и установленные на самом объекте. При этом растекание тока происходит по контролируемым путям так, что обеспечивается низкая вероятность поражения людей (животных), взрыва (см. ВЗРЫВ) или пожара.

Установка отдельно стоящих молниеотводов исключает возможность термического воздействия тока молнии на объект.

По типу молниеприемника молниеотводы бывают:

· стержневые (вертикальные);

· тросовые (горизонтальные протяженные) и сетки, состоящие из проводов и поперечных горизонтальных электродов, соединенных в местах пересечений [1].

Рис. 1 Стержневой отдельно стоящий молниеотвод:

· 1 — молниеприемник;

· 2 — несущая конструкция;

· 3 — токоотвод;

· 4 — заземлитель

2) Токоотвод (спуск) — часть молниеотвода, предназначенная для отвода тока молнии от молниеприемника к заземлителю.

3) Заземлитель — проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через проводящую среду.

Внутренняя система молниезащиты

Внутренняя молниезащита представляет собой совокупность устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Назначение УЗИП — защитить электрическое и электронное оборудование от перенапряжений в сети, вызванных резистивными и индуктивными связями, возникающих под воздействием тока молнии.

Общепринято выделяют перенапряжения, вызванные прямыми и непрямыми ударами молнии.

Первые — происходят в случае попадания молнии в здание (сооружение) или в подведенные к зданию (сооружению) линии коммуникаций (линии электропередачи, коммуникационные линии).

Вторые — вследствие ударов вблизи здания (сооружения) или удара молнии вблизи линий коммуникаций. В зависимости от типа попадания различаются и параметры перенапряжений.

Рис. 2 Схема подключения УЗИП

Перенапряжения, вызванные прямым ударом, именуются «Тип 1» и характеризуются формой волны 10/350 мкс. Они наиболее опасны, так как несут большую запасенную энергию.

Перенапряжения, вызванные непрямым ударом, именуются «Тип 2» и характеризуются формой волны 8/20 мкс. Они менее опасны: запасенная энергия примерно в 17 раз меньше, чем у Типа 1.

Соответствующим образом классифицируются и УЗИП.

Статью «Виды воздействия молнии, меры безопасности и защита зданий и сооружений от прямых ударов: молниеотвод, заземление и другие способы внутренней и внешней молниезащиты» см. по ссылке.

Литература:

1. Пожарная безопасность. Энциклопедия. — ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2019 г.

2. СТО 083-004-2010 «Молниезащита зданий, сооружений, открытых площадок и промышленных коммуникаций системами с упреждающей стримерной эмиссией. Технические требования. Проектирование, технология устройства и техническая эксплуатация»

3. Веревкин В.Н., Смелков П.И., Черкасов В.Н. Электростатическая искробезопасность и молниезащита. — М., 2006 г.