Черкасов В.Н., Костарев Н.П. Пожарная безопасность электроустановок - файл n9.doc

приобрести
Черкасов В.Н., Костарев Н.П. Пожарная безопасность электроустановок
скачать (5053.5 kb.)
Доступные файлы (22):
n1.doc2596kb.20.08.2002 16:08скачать
n2.doc59kb.19.08.2002 13:03скачать
n3.doc529kb.20.08.2002 16:15скачать
n4.doc1096kb.20.08.2002 16:18скачать
n5.doc642kb.20.08.2002 16:19скачать
n6.doc1727kb.20.08.2002 16:36скачать
n7.doc3660kb.19.08.2002 13:13скачать
n8.doc529kb.15.08.2002 16:43скачать
n9.doc1445kb.20.08.2002 16:44скачать
n10.doc940kb.21.08.2002 11:52скачать
n11.doc58kb.10.12.2002 11:31скачать
Oblogka_Titul.doc94kb.11.12.2002 11:44скачать
n13.doc148kb.21.08.2002 12:25скачать
n14.doc47kb.26.06.2002 14:28скачать
n15.doc298kb.19.08.2002 13:05скачать
n16.doc53kb.11.12.2002 09:47скачать
n17.doc55kb.11.07.2002 15:04скачать
n18.doc63kb.12.08.2002 09:58скачать
n19.doc79kb.12.08.2002 10:18скачать
n20.doc60kb.25.07.2002 14:25скачать
n21.doc38kb.18.04.2002 11:18скачать
n23.doc69kb.04.07.2002 10:25скачать

n9.doc

  1   2   3   4

Глава 8

МОЛНИЕЗАЩИТА


8.1. Молния и ее характеристики

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.

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).



Рис. 8.1. Образование зарядов в облаке:

1 – ионосфера; 2 – поляризованная капля; 3 – поток воздуха; 4 - облако
Нормально земля заряжена отрицательно с поверхностной плотностью - при существовании электрического поля земли с напряженностью Ен. Второй «обкладкой» этого сферического конденсатора является положительно заряженная ионосфера, расположенная очень высоко (рис. 8.1). Под действием Ен падающая капля поляризуется, в нижней ее части появляется положительный заряд, в верхней – отрицательный. Движущиеся в восходящем потоке воздуха электроны притягиваются нижней частью капли, а более положительные инерционные ионы воздуха отталкиваются и уносятся далее, сосредоточиваясь вверху. В результате этого капли получают суммарный отрицательный заряд и наполняют нижнюю часть облака со значительной объемной плотностью, где может находиться иногда и небольшой объемный положительный заряд. Внутри облака образуется электрическое поле с напряженностью Еоб между распределенными разнополярными зарядами. Нижняя часть индуцирует на поверхности земли положительный заряд с плотностью + и появляется местное грозовое электрическое поле с напряженностью Ег, достигающей иногда 100-200 кВ/м.

Разряд облака на землю (рис. 8.2) имеет вид линейной молнии и начинается в большинстве случаев при высокой концентрации в нем зарядов и напряженности Ег=20-30 кВ/см у его выступающих частей. Этому благоприятствует меньшая плотность воздуха вокруг облака, чем плотность у земли.




Рис. 8.2. Разряд облака на землю:

а – оптическая осциллограмма (запись на движущейся слева направо
фотопленке); б – кривая тока молнии; в – оптическая картина
восходящего разряда молнии в вершину высокой башни

Исследованиями в России и за рубежом выявлены условия возникновения молнии и ее характеристики. Для равнинных районов делают различие между разрядами молнии непосредственно в землю или в объекты высотой до 100 м и разрядами в высотные здания и сооружения: радио и телевизионные мачты, заводские трубы. В первом случае характерны нисходящие, а во втором – восходящие разряды (молнии).

Нисходящий разряд между облаком и землей разделяется на лидерный и главный. Он обычно начинается с прорастания от облака к земле слабосветящегося канала – ступенчатого лидера (см. рис. 8.2), движущегося прерывисто (ступенями). Длина каждой ступени около 50 м, средняя скорость ее распространения составляет (2-5) 105 м/с. В большинстве случаев (до 90 %) заряд облака и нисходящий ступенчатый лидер имеют отрицательную полярность. Вокруг него образуется значительная ионизированная область воздуха, созданная электрическим полем. После прорастания каждой ступени наступает пауза от 30 до 100 мкс. Общее время продвижения лидера составляет 0,005-0,01 с, средняя скорость этого процесса
(1-2) 105 м/с. Приближение его к земле обусловливает возрастание электрической напряженности на его головке, канал лидера заполняется отрицательным зарядом с линейной плотностью -. Возрастает и плотность индуцированных зарядов + на земле или на ближайших объектах. Ток в лидере нарастает постепенно (см. рис. 8.2, б) и редко превышает сотни ампер.

По мере приближения ступенчатого лидера к земле напряженность электрического поля на вершине возвышающегося заземленного объекта увеличивается и может превысить критическую. С объекта начинает развиваться встречный лидер, а ступенчатый при этом может изменить направление, отклоняясь к развивающемуся от объекта встречному и соединяясь с ним.

Длина встречного лидера обычно незначительна и для большинства случаев не превышает 20-30 м. С увеличением высоты объекта от 20 до 200 м длина его канала возрастает приблизительно от 20-30 до 50-85 м, поэтому встречный лидер имеет важное значение в развитии молнии. Он формирует завершающий участок траектории и в значительной степени предопределяет место поражения. Когда головка ступенчатого лидера соприкоснется с землей или встречным лидером, возникает главный разряд (см. рис. 8.2, а). Он связан с нейтрализацией отрицательных зарядов лидера положительными зарядами земли и напоминает короткое замыкание. Можно рассматривать это явление и как освобождение лидера от отрицательных зарядов. Такой процесс направлен снизу вверх и протекает весьма быстро (за 50100 мкс). Наиболее вероятная скорость развития главного разряда равна 1/3 скорости света, но изменяется в больших пределах. Главный разряд сопровождается очень интенсивным свечением канала, уменьшающимся при приближении к облаку, а также мощным звуковым эффектом (громом). Ток главного разряда (см. рис. 8.2, б) достигает большой величины (десятки и сотни кА за 50-100 мкс) и способен разогреть канал до температуры более 30 000 С. Вокруг него образуется ионизированная область, исчезающая после окончания главного разряда через 0,03-0,05 с. Затем образуется ток после свечения величиной от 10 до 1000 А. Длительный ток в этой финальной стадии молнии является одной из основных причин ее термического воздействия. Три перечисленные стадии (лидерная, главная и финальная) составляют первую компоненту нисходящей отрицательной молнии. Как правило, за ней может следовать несколько так называемых последующих компонент. При этом вместо ступенчатого лидера появляется по тому же пути стреловидный лидер (см. рис. 8.2, а), развивающийся от прежнего места в грозовом облаке до земли или объектов на земле.

Последующие компоненты молнии протекают быстрее, но их ток значительнее меньше, чем в первой. По зарубежным данным, в 50 % случаев среднее число компонент на один разряд молнии составляет 2-3, а в 45 % - одну. Изредка наблюдаются молнии со значительно большим числом компонент. Общая продолжительность многокомпонентной нисходящей молнии достигает 0,2-0,3 с (50 % случаев), но наблюдалась и длительность ее до 1-1,5 с. Заряд, переносимый в течение всей вспышки молнии, колеблется от единиц до сотен кулонов, из которых на долю отдельных импульсов приходится 5-15, а на непрерывную составляющую 10-20 Кл. Им и пополняется общий заряд земли. Отрицательная молния изучена более полно, ее параметры известны с большей достоверностью, так как данные о нисходящих молниях накапливались продолжительное время в разных районах земного шара.

При разрядах в объекты значительной высоты (сотни метров) обнаруживаются существенные различия первого импульса и завершающего разряда. В этом случае разряд начинается с прорастания восходящего лидера от вершин заземленных сооружений (см. рис. 8.2, в). Развивающийся вверх от объекта, он может и не иметь явной ступенчатой структуры, но главный разряд и в этом случае развивается от объекта к облаку (т.е. его направление совпадает с направлением распространения лидера) и получается слабым, что объясняется медленным перераспределением малоподвижных зарядов в облаке и неспособностью его быстро обеспечить высокую концентрацию их для компенсации зарядов очень длинного лидера. Чем выше объект, тем меньше ток главного разряда при одной и той же вероятности его появления. Но особенность состоит не в меньших токах, а в том, что высокие объекты будут чаще поражаться прямыми ударами. При исследованиях наблюдалось быстрое возрастание количества восходящих разрядов с увеличением высоты объекта hx (при hx  150 м оно составляло 24 %, а при hx  380 м – 96 %). В горах соотношение между восходящими и нисходящими разрядами изменяется в сторону увеличения первых. Лидер последующих компонент восходящих молний всегда продвигается по направлению к земле, поэтому их структура не отличается от структуры последующих компонент нисходящей молнии. Сведения о восходящих молниях появились лишь в последние десятилетия, когда начались систематические наблюдения за грозопоражаемостью очень высоких сооружений, например Останкинской телевизионной башни.

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.

Таким образом, для молниезащиты представляет интерес только линейная, а не шаровая молния как редкое явление. Электрическими характеристиками молнии являются амплитуда тока Iм (наибольшее значение тока главного разряда первой компоненты), крутизна тока , длина фронта волны тока ф и длина волны тока в (рис. 8.3). Они важны при расчете различных воздействий молнии.


Рис. 8.3. Изменение тока молнии iм во времени 
Амплитуда Iм изменяется в очень широких пределах, достигая иногда 230-250 кА. Чем больше амплитуда, тем меньше вероятность ее появления. Оценка этой зависимости дается кривой на рис. 8.4. Видно, что амплитуда в 100 кА и выше возникает очень редко и составляет около 2 % общего числа разрядов. Наиболее часты амплитуды более 30 кА. Они появляются примерно в 50 % случаев. Расчетной величиной считают Iм = 100 кА, а в районах с малой грозовой деятельностью допустимо принимать 50 кА.




Рис. 8.4. Кривая вероятности амплитуд токов молнии (для высот
над уровнем моря менее 500 м)
Вероятность Р1 может быть определена и по простой формуле

lg Р1 = - Iм/60, (8.1)

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 Iм 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 = diм/d характеризует скорость нарастания тока, т.е. отношение приращения тока iм 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. Средняя крутизна = Iм/ф и пропорциональна tg ( - угол наклона штрихпунктирной кривой к оси времени) на рис. 8.3. Максимальная расчетная крутизна принимается равной 50 кА/мкс. На ниспадающей ветви кривой ток изменяется медленней, его крутизна гораздо меньше и ее во внимание не принимают.

Вероятность появления тока молнии с крутизной  или более определяется по формуле

lg Р = - /36. (8.2)

Крутизна важна для расчета индуктивного падения напряжения в проводниках цепи тока молнии. Она определяет в основном и наведенные ЭДС, и разности потенциалов в тех контурах, на которые молния прямо не воздействует (провода электрической сети, антенны, трубопроводы). Крутизна при высоких объектах принимается такой же, как и для объектов высотой менее 30 м. Для горных районов (высота над уровнем моря более 700 м) при той же вероятности крутизна уменьшается вдвое. Общая вероятность одновременного появления тока молнии с амплитудой Iм и более, с крутизной и выше оценивается по аналогичной формуле

lg Р1,= [(Iм/60)+(/36)]. (8.3)

На практике замечено сравнительно слабое увеличение крутизны при возрастании амплитуды тока молнии.

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 принято считать время в, протекающее от начала до того момента, когда iм = 0,5Iм и изменяется от 20 до 100 мкс. Расчетной величиной принимают ф = 50 мкс.

Иногда кривую тока молнии идеализируют. Если интересуются процессами на фронте, то считают, что после t = ф ток не изменяется и остается равным Iм. Наоборот, для анализа воздействия на ниспадающей ветви, например теплового воздействия, пренебрегают фронтом и полагают, что ток сразу достигает значения Iм и затем медленно спадает по закону
iм = Iмe-1/Т, где Т – некоторая постоянная величина.

8.2. ПОЖАРО- И ВЗРЫВООПАСНОСТЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ МОЛНИИ

Воздействие молнии может быть двояким. Во-первых, оно 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. Во-вторых, она 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.

Воздействия прямого удара молнии

Прямой удар молнии обуславливает следующие воздействия на объекты: термические, механические и электрические. Все эти воздействия могут быть причинами пожаров, взрывов, механических разрушений, перенапряжения на пораженных элементах объекта, проводах и кабелях электрических сетей, поражения людей.

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 (30 000С и выше) и запас тепловой энергии. Выделяемая в канале молнии энергия определяется переносимым зарядом, длительностью протекания и амплитудой тока молнии. В 95 % случаев разрядов молнии эта энергия (в расчете на сопротивление 1 Ом) превышает 5,5 Дж [2], что на несколько порядков превышает минимальную энергию воспламенения газо-, паро- и пылевоздушных смесей. 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 (ток 100-500 А, время 1-1,5 с).

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.

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. Сюда относятся металлические и железобетонные резервуары со сжиженными горючими газами, многие аппараты наружных технологических установок нефтеперерабатывающих, химических и других объектов.

Тепловые процессы в месте контакта молнии с металлом весьма сложны и плохо поддаются расчету. При упрощении модели этого явления можно предположить, что процесс тепловыделения в зоне контакта аналогичен стационарной электрической дуге. Доказано, что проплавление (прожог) металла установок током молнии возможно лишь при его толщине не более 4 мм.

В работе [31] указывается, что площадь прожога S, мм2, слабо зависит от материала стенки, а определяется в основном ее толщиной , мм, и протекшим зарядом qм, Кл. Экспериментальные данные удовлетворительно интерполируются следующими соотношениями для меди, железа, стали и алюминия:

при 0 мм <   0,9 мм

S = 25,3-0,9qм; (8.4)

при 0,9 мм <   3,8 мм

S = 24,5-1,54qм. (8.5)

Проплавление током молнии металлических поверхностей может привести к взрыву и разрушениям, если внутри установки содержится взрывоопасная концентрация горючих газов и паров, поэтому с учетом коррозии за минимальную толщину металла, способную сохранить герметичность установки (при отсутствии высоких давлений), принимают 5 мм. Необходимо учитывать, что внутренняя часть стенки установки, где содержится продукт, в месте удара молнии приобретает повышенную температуру, которая может оказаться критической для него и вызвать взрыв. Для объяснения этого явления можно воспользоваться теорией воспламенения горючих смесей от действия накаленных тел.

П
ораженный участок стенки установки (рис. 8.5) примем за накаленное тело с температурой Т1. Если среда, соприкасающаяся с ним, инертна, то распределение температуры в ней изобразится кривой Т1А1 (см.рис. 8.5). Если же среда представляет собой горючую смесь, то в силу дополнительного выделения тепла распределение температур в ней изобразится пунктирной линией Т1А1. Повышение начальной температуры стенки до Т2 приведет к тому, что в инертной среде ее распределение будет подобно прежнему, но с более резким снижением (кривая Т2А2). В горючей же смеси, где с повышением температуры увеличивается выделение теплоты, распределение температуры снижается значительно медленней, чем Т2А2. При определенном значении Т2 понижения температуры в горючей среде (вблизи накаленного участка стенки) не произойдет, а ее распределение изобразится пунктирной линией Т2А2, т.е. температура горючей смеси за счет выделения тепла реакции поддерживается равной температуре накаленного участка стенки, который больше не участвует в процессе нагрева смеси.

При повышении температуры стенки до Т3 на некотором удалении от нее температура горючей смеси будет расти до тех пор, пока не возникнет горение. Такое изменение температуры изобразится кривой Т3А3 (см. рис. 8.5).

Таким образом, температура накаленного участка стенки Т2 является предельной, так как при ней количество теплоты, выделяемое реакцией, равняется отводимому. Если немного повысить температуру участков стенки (до Т3), то скорость выделения теплоты превысит скорость теплоотвода, и смесь получит возможность разогреваться до воспламенения, следовательно, Т3 – температура самовоспламенения. В случае возникновения горения от действия местного источника критическая температура должна превышать температуру самовоспламенения (например, Т3), при этом чем меньше размеры накаленного участка стенки, тем выше критическая температура.

Были проведены опыты по выявлению влияния размеров шарика, рассматриваемого в качестве источника зажигания, на температуру самовоспламенения горючей смеси. Результаты опытов показали (рис. 8.6), что меньшему диаметру шарика соответствует большая температура самовоспламенения газовой смеси (светильного газа с воздухом). Диаметр накаленного участка в месте прямого удара молнии можно принять равным 10 см.

При воспламенении горючей смеси в аппарате, пораженном молнией, необходимо учитывать и то, что горючие смеси имеют период индукции или время запаздывания самовоспламенения. Воспламенения не произойдет, если указанный период окажется больше времени охлаждения накаленного участка стенки аппарата до величины ниже температуры самовоспламенения. Если же он меньше времени охлаждения этого участка, то горючая смесь воспламенится.
Рис. 8.6. Зависимость температуры самовоспламенения от диаметра шарика

Опытами установлено, что время нагрева и охлаждения пораженного молнией места в стальном листе от 0,1 до 10 с. Максимум температуры возникает через 1-2 с от начала удара молнии и уменьшается пропорционально толщине листа. Период же индукции у ряда веществ может быть меньше интервала между возникновением максимума температуры и охлаждением поражаемого участка стенки. У метановоздушных смесей в зависимости от процентного содержания метана (6-10 %) и температуры нагрева смесей (775-875 С) период индукции колеблется от 0,35 до 1,23 с. У водородовоздушных смесей при концентрациях водорода от 27,8 до 34 % период индукции составляет 3 мс, а у ацетиленовоздушных смесей (концентрация ацетилена 10-18 %) – 4 – 14 мс. У пыли битуминозного угля он составляет примерно 4 мс, а у алюминиевой пыли практически отсутствует. Из приведенных примеров видно, что установки с водородом или ацетиленом более опасны, чем с метаном. Также опасны сооружения с алюминиевой пылью.

Представленная на рис. 8.7 кривая tмакс = f() позволяет выбрать допустимую толщину металла для наружных взрывоопасных установок. Там, где допустимо повышение температуры внутренней стенки до 800-1200 С
(с учетом всех свойств среды) и нет высоких давлений, можно ограничиться толщиной стенки в 4-5 мм. В установках, содержащих газ или жидкость под давлением, толщина должна быть 5,5-6 мм, в противном случае силой давления разогретый металл разорвется или вспучится, что может привести к пожару или взрыву.
Рис. 8.7. Зависимость температуры от толщины листа

Таким образом, при решении вопроса об использовании взрывоопасных наружных технологических установок в качестве естественных молниеприёмников в каждом отдельном случае необходим тщательный анализ приведенных выше условий. В сомнительных случаях (установки находятся под избыточным давлением) для исключения непосредственного контакта канала молнии с установкой на последней сооружают специальный молниеприёмник. Такие молниеприёмники необходимы и в том случае, если на установках имеются дыхательные клапаны, газоотводные трубы, свечи. При этом молниеприёмники располагают так, чтобы контакт канала молнии с ними происходил вне взрывоопасной зоны распространения взрывоопасных смесей. Те же условия нужно соблюдать и при установке молниеотводов для защиты взрывоопасных зданий с устройствами для выделения горючих смесей, способных к воспламенению при контакте с каналом молнии. Большинство промышленных зданий и наружных установок представляет сложную сеть металлических конструкций, трубопроводов и т.д., по которым в момент прямого удара растекается ток молнии. При отсутствии контакта между отдельными конструкциями в местах сближения металлических частей может возникнуть мощная искра – источник воспламенения горючей среды.

Пожар или взрыв от прямого удара молнии может произойти и при наличии молниезащиты, если токоотводы имеют значительную протяженность и не предприняты меры по выравниванию потенциалов между ними и металлическими конструкциями здания или технологического оборудования. В противном случае между токоотводом и элементами здания, сохраняющими потенциал, близкий к потенциалу земли, возникает искра – источник взрыва или пожара. К пожару может привести также нарушение целостности токоотвода, проложенного по мягкой кровле или сгораемому утеплителю здания, и тогда в месте разрыва возникает мощная искра.

Пожаро- и взрывоопасность атмосферного электричества может быть обусловлена не только прямым ударом молнии, но и встречными (незавершенными) восходящими лидерами (размер канала составляет несколько десятков сантиметров), температура канала которых может достигать
2 000 – 7 000 К. Развивающиеся, например, от газоотводных и дыхательных труб, они даже при отсутствии разряда молнии могут вызвать воспламенение взрывоопасных смесей паров и газов, сбрасываемых в атмосферу. Такие случаи наблюдаются на нефтехимических предприятиях. Однако каких-либо нормативных мер защиты от указанных явлений не предусмотрено. Вероятность воспламенения сбрасываемых горючих смесей можно снизить примерно в 100 раз, если на устройствах по сбросу укрепить сетку-сферу (электростатический купол) с радиусом 1 м.

Отсутствуют нормативные рекомендации о необходимости учитывать при молниезащите дымовых труб не только ее высоту, но часть высоты струи выбрасываемого дыма. Высоту струи дыма над трубой следует принимать до точки, в которой температура горячих газов будет не более
100 С. Следовательно, защитный уровень трубы будет равным hx=hтр+hстр.

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 местах разрыва проводников или плохого электрического контакта обычно появляется искра. При расчете минимальных сечений исходят из условия, что вся тепловая энергия, выделяемая током молнии, идет на нагрев металла токоотвода. Потерей теплоты в окружающую среду из-за кратковременности этого процесса пренебрегают.

Расчетами определено, что минимальное сечение стальных токоотводов, исключающее расплавление, составляет 16 мм2, а медленных – 6 мм2. С учетом коррозии металлов их минимальные сечения следует увеличить. В практике имелись случаи, когда от действия молнии токоотводы распадались на куски длиной в несколько сантиметров, что объясняется не только тепловыми, но и электродинамическими усилиями, возникающими в проводниках. В целях повышения механической прочности и увеличения срока службы рекомендуется применять токоотводы сечением не менее 29 мм2 из круглой стали и 16 мм2 из меди.

Механические воздействия токов молнии обусловливаются ударной волной, распространяющейся от канала молнии, и электродинамическими силами, действующими на проводники с токами молнии. Это воздействие может быть причиной, например, сплющивания тонких металлических трубок и схлестывания проводников. При поражении молнией сооружений из твердого негорючего материала (камня, кирпича, бетона) наблюдаются местные разрушения как результат динамического действия. Наиболее серьезные из них связаны с электрогидравлическими эффектами при разряде молнии. Если между пораженным участком объекта и землей нет токопроводящих путей, его потенциал по отношению к земле достигает высоких значений и возникает пробой (разряд) по пути наименьшей электрической прочности.

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. При этом степень разрушения определяется не столько током молнии, сколько содержанием влаги или газогенерирующей способностью пораженного материала. Известны случаи частичного или даже полного разрушения бетонных и железобетонных сооружений. Это можно объяснить плохими контактами в местах соединений стальной арматуры. При надежных контактах арматура железобетонных сооружений может служить хорошим токоотводом для молнии, так как имеет большое общее сечение, исключающее опасные повышения температуры.

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.

При отсутствии молниезащиты пути растекания тока молнии становятся неконтролируемыми и это может увеличить опасность поражения током людей, опасные напряжения шага и прикосновения, а также перекрытия на другие объекты.

Поэтому опасно укрываться во время грозы под деревьями, особенно высокими или стоящими отдельно, находиться вблизи металлических труб, мачт, молниеотводов, заземлителей и т.п.

Вторичные воздействия молнии

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).

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. Развитие этих процессов происходит относительно медленно, поэтому перемещение зарядов не вызывает внутри наземных объектов заметных разностей потенциалов, несмотря на высокие сопротивления утечки. В стадии главного разряда освобождение связанных зарядов происходит настолько быстро, что могут возникнуть существенные разности потенциалов между металлическими конструкциями и землей, вызванные протеканием токов через большие сопротивления утечки. Разности потенциалов даже при ударах молнии на расстоянии 100 м от здания могут достигать десятков и сотен киловольт и вызывать искры в воздушных промежутках. Несмотря на малую энергию, искры могут быть причиной взрывов в помещениях со взрывоопасными концентрациями горючих смесей газов, паров и пылей.

На таких устройствах, как провода воздушных линий (электрических линий связи), освободившиеся заряды распространяются в виде волн и создают напряжения по отношению к земле в десятки и сотни киловольт, способные вызывать в них мощные искровые разряды.

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 (трубопроводов, воздуховодов, проводов, кабелей). При полностью замкнутом контуре индуцированная ЭДС вызовет электрический ток и небольшое нагревание его элементов, не представляющее, как правило, какой-либо опасности.

Контуры могут быть незамкнутыми или иметь плохие контакты в местах соединений (во фланцах трубопроводов), где ЭДС и может вызвать искрение. Величина электродвижущей силы электромагнитной индукции зависит от параметров тока молнии, размера и конфигурации контура и их взаимного расположения. При расположении канала молнии и контура, как показано на рис. 8.8, напряжение в вольтах на разомкнутых концах контура может быть определено по формуле

Uк = M(diм/d) = M(Iм/ф), (8.6)

где М = 2c ln[(a+b)/c]10-9 – коэффициент взаимоиндукции между каналом молнии и контуром, Гн (a – расстояние от канала молнии до контура, см; b и с – размеры контура, см).



Рис. 8.8. Положение канала молнии и контура для расчета индуцированных напряжений:

1 – канал молнии; 2 - контур

Значительное число пожаров нефтяных цистерн, резервуаров и складских емкостей обусловлено вторичным (индуцированным) воздействием, а не прямым ударом молнии. Пожары являются результатом искр, генерированных в емкостях с горючими паровоздушными смесями. Для оценки пожаро- и взрывоопасности вторичных воздействий молнии были проведены исследования воспламеняющей способности электрических искр, обусловливаемых электромагнитной индукцией и нагревом мест плохих контактов [3]. Исследования проводились в полевых и лабораторных условиях.

В лабораторных условиях, используя генератор импульсных токов (ГИТ), исследовали величины энергии, рассеиваемой в искрах, возникающих в искровом промежутке вторичного контура, а также характер искрений и нагрев во фланцевых соединениях трубопроводов при протекании по ним импульсных токов.

Сравнение величин этой энергии с минимальной энергией электрических искр, достаточной для воспламенения более 50 различных паро-, газо- и пылевоздушных смесей, показало, что последняя в 5,6 – 14 раз превышает величины минимальной, достаточной для воспламенения даже трудновоспламеняемых пылевоздушных взрывоопасных смесей. Если взять только паро- и газовоздушные смеси, то превышение будет в 102-105 раз, причем оно должно быть еще больше, поскольку параметры разряда молнии значительно превышают те, которые имитировались в разрядах ГИТ. Необходимо учитывать и увеличенные размеры токопроводящих контуров на промышленных объектах по сравнению с экспериментальными.

Для исследования нагрева и искрообразований во фланцевых соединениях токопроводящих контуров при протекании по ним токов молнии или тока, обусловливаемого ЭДС индукции, были проведены два вида опытов как на чистых соединениях, так и с сильной коррозией [3].

Исследованиями установлено, что ни в одном из рассмотренных случаев какого-либо нагрева фланцевого соединения не наблюдалось, поэтому напрашивается вывод, что как чистые, так и корродированные фланцевые соединения (с точки зрения возможности их нагрева) для взрывоопасных сред никакой опасности не представляют.

Исследование искрообразований проводили на тех фланцевых соединениях, при тех же параметрах разрядного тока ГИТ, что и при опытах нагрева. Опыты с чистым фланцевым соединением на трех, четырех и пяти болтах выявили отсутствие искрений при протекании по нему тока даже с амплитудой 48,2 кА. При одном или двух болтах возникает сильное искрение как из-под шайб соединительных болтов, так и по периметру между фланцами.

Опыты с ржавыми фланцевыми соединениями показали, что в этом случае даже при четырех болтах диаметром 8 мм искрение из-под шайб наблюдается при значительно более низкой амплитуде тока (10,7 кА). При больших величинах тока искрение происходило также и между фланцами. Таким образом, корродированные фланцевые соединения (с точки зрения искрообразования) представляют большую опасность, поэтому в зданиях со взрывоопасной и одновременно химически активной средой, где надлежащий контакт с допустимой величиной переходного сопротивления (0,03 Ом) не может быть обеспечен, необходима установка перемычек из стальной проволоки или шунтирующих устройств.

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. Значительное повышение потенциала на молниеотводе при прямом ударе молнии может вызвать перекрытие изоляции по воздуху, земле или дереву на части указанных коммуникаций. Искрообразование внутри взрывоопасных зданий, обусловливаемое заносом высокого потенциала по коммуникациям, является источником взрыва и представляет серьезную опасность для людей.

8.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
ПО УСТРОЙСТВУ МОЛНИЕЗАЩИТЫ


Категории молниезащиты

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. Например, в производствах, постоянно связанных с наличием открытого пламени, при применении несгораемых материалов и конструкций протекание тока молнии не представляет большой опасности. Однако наличие внутри объекта взрывоопасной или пожароопасной среды создает угрозу пожара, разрушений, человеческих жертв, больших материальных убытков.

При таком разнообразии конструктивных и технологических условий предъявлять одинаковые требования к молниезащите всех объектов означало бы или предусматривать чрезмерные излишества, или мириться с неизбежностью значительных убытков, вызванных последствиями поражения молнией. Поэтому в инструкции [2] принят дифференцированный подход к устройству молниезащиты различных объектов, в связи с чем – по устройству молниезащиты здания и сооружения разделены на три категории, отличающиеся по тяжести возможных последствий поражения молнией.

I категория – здания и сооружения или их части с взрывоопасными зонами классов В-I и В-II по Правилам устройства электроустановок (ПУЭ-86). 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 – 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 – 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.

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 nч. Эта величина может быть получена по данным местной метеорологической станции. Кроме того, существует карта [2], на которой нанесены линии средней за год продолжительности гроз на территории России. На ней же приближенно размечены и крупные области, где наблюдается одна и та же грозовая деятельность. Диапазон ее изменения довольно велик и зависит от климатических факторов и рельефа местности. В северных областях (Мурманск, Камчатка) она составляет не более 10 ч в год, для районов на широте 50-55 она колеблется от 20 до 30 ч, а на юге (Кавказ, Донбас) она может достигать 100-200 ч в год. Да и в пределах одного района с низкой грозовой активностью встречаются участки с резко повышенным числом грозовых часов в год.

Иногда оценка грозовой деятельности измеряется количеством грозовых дней в году nд. Принято считать продолжительность грозы приблизительно равной 1,5 ч, если nд = 30 дням, и 2 ч, когда nд больше 30 дней. Следовательно, nч = (1,5-2) nд.

Однако более важной и информативной характеристикой для оценки возможного числа поражений объектов молнией является плотность ударов нисходящих молний на единицу земной поверхности.

Плотность ударов молнии в землю сильно колеблется по регионам земного шара и зависит от тех же факторов, что и интенсивность гроз. Особенно велико влияние рельефа в горной местности, где грозовые фронты распространяются преимущественно по узким коридорам.

Наблюдениями установлена корреляционная связь между плотностью разрядов в землю и продолжительностью гроз. Эта корреляционная зависимость распространена на всю территорию Россию и связывает число ударов нисходящей молнии в 1 км2 земной поверхности с конкретной продолжительностью гроз в часах. Для произвольного пункта на территории России удельная плотность ударов молнии в землю n определяется, исходя из средней продолжительности гроз в часах, следующим образом:

Средняя продолжительность гроз, ч


10-20

20-40

40-60

60-80

80-100

100
и более

Удельная плотность ударов молнии в землю, 1/(км2год), n

1

2
  1   2   3   4


Глава 8 МОЛНИЕЗАЩИТА
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации