Вопрос 6. Молния и ее опасность

Молнияпредставляет собой электрический разряд между заряженным облаком и землей или разноименно заряженными частями облака. Возможны разряды и между соседними облаками.

До появления разряда происходит накопление и разделение электрических зарядов в облаке. Этому 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 нагреве почвы и во время вторжения масса холодильного воздуха. Поверхность земли и ионосфера представляют собой гигантский сферический конденсатор, в котором нормально земля заряжена отрицательно, а ионосфера – положительно. Между этими "обкладками" конденсатора возникает напряженность электрического поля Е_н. Под действием Е_нпадающая капля поляризуется: в нижней ее части появляется положительный заряд, а в верхней – отрицательный. Движущиеся в восходящем потоке воздуха электроны притягиваются нижней частью капли, а более положительные инерционные ионы уносятся и сосредотачиваются вверху. В результате этого капли получают отрицательный суммарный заряд и наполняют нижнюю часть облака со значительной объемной плотностью. Нижняя часть облака индуцирует на поверхности земли положительный заряд, вследствие чего появляется местное грозовое электрическое поле с напряженностью Е_н, достигающий иногда 100-200кВ/м.

Разряд молнии начинается с развития лидера–слабо светящегося канала с током в несколько сотен ампер. По направлению движения лидера – от облака вниз или от наземного сооружения вверх – молнии разделяются нанисходящие и восходящие.

Лидер нисходящеймолнии возникает под действием процессов в грозовом облаке, и его появление не зависит от наличия на поверхности земли каких-либо сооружений. По мере продвижения лидера к земле с наземных объектов могут возбуждаться направленные к облаку встречные лидеры. Соприкосновение одного из них с нисходящим лидером или касание последнего земли определяет место удара молнии в землю или какой-либо объект.

Восходящие лидерывозбуждаются с высоких заземленных сооружений: у вершин которых электрическое поле во время грозы резко увеличивается. На равниной местности восходящие молнии поражают объект высотой более 150 м, а в горных районах они возбуждаются с остроконечных элементов рельефа и сооружений меньшей высоты, поэтому наблюдаются чаще.

Об интенсивности грозовой деятельности в различных географических пунктах можно судить по данным метеостанции. Плотность ударов молнии в землю в расчете на 1 км²изменяется от0в приполярных областях до20-30разрядов в год во влажных тропиках. Установлена корреляционная связь между удельной плотностью разрядов в землю и продолжительностью гроз. Благодаря длительным наблюдениям удалось ввести районирование территории страны по плотности ударов молнии в землю (через данные о продолжительности гроз (см ПУЭ, рис. 2,5,13 – 2,5,16 или РД34.21.122-87 рис. 3). Для произвольного пункта на территории нашей страны удельная плотность ударов молнии в землю определяется, исходя из среднегодовой продолжительности гроз по таблице приложения 2РД 34.21.12.122-87, стр. 27.

(5 мин) Расчет ожидаемого количества N поражений молнией в год производится по формулам:

• для сосредоточенных объектов(дымовые трубы, вышки, башни)N = 9π h²n * 10^-6:

• для зданий и сооружений прямоугольной формы:

N = [(S+6h)(L+6h)-7,7h²] n*10^-6,

где: h – наибольшая высота здания или сооружения, м;

S, L – соответственно ширина и длинна здания или сооружения, м;

n – среднегодовое число ударов молнии в 1км² земной поверхности (удельная плотность ударов молнии в землю) в месте нахождения здания или сооружения.

Для зданий и сооружений сложной конфигурации в качестве SиLрассматривается ширина и длинна наименьшего прямоугольника, в который может бытьвписано здание или сооружение.

Воздействие молний принято подразделять на две основные группы (слайд № 3): первые, вызваны прямым ударом молнии, а вторые, индуцированные близкими ее разрядами или занесенные в объект протяженными металлическими коммуникациями.

Прямой удар вызывает следующие воздействия на объект:

• электрические, связанные с поражением людей или животных током и появлением перенапряжений на поврежденных элементах;

• термические, связанные с резким выделением тепла при прямом контакте канала молнии с содержимым объекта и при протекании через объект тока молнии (создают опасность воспламенения ГВ и взрыва ВОС);

• механические, обусловленные ударной волной, распространяющейся от канала молнии, и электродинамическими силами, действующими на проводники с токами молнии (может вызвать: сплющивание тонких металлических трубок, расщепление древесины, трещины в бетоне).

Вторичные проявления молнии связаны с действием на объект электромагнитного поля близких разрядов. Это поле рассматривают в виде двух составляющих:

* первая обусловлена перемещением зарядов в лидере и канале молнии;

* вторая – изменением тока молнии во времени.

Эти составляющие иногда называют электростатической и электромагнитной индукцией.

Электростатическая индукцияпроявляется в виде возникновения значительных разностей потенциалов между металлическими конструкциями и землей, вызванных протеканием токов через большие сопротивления утечки. Эти разности потенциалов могут создавать опасность для людей при отсутствии надлежащего заземления и способны вызывать искры в воздушных промежутках.

Электромагнитная индукциясвязана с образованием в металлических контурах ЭДС, вследствие чего в местах сближения протяженных металлических конструкций, в разрывах незамкнутых контуров создается опасность перекрытий и искрений.

Еще одним видом опасного воздействия молнии является занос высокого потенциалапо вводимым в объект коммуникациям проводам воздушных линий электропередач, кабелям, трубопроводам. Он возможен не только при прямом ударе молнии в них, но и в случае, если эти коммуникации окажутся слишком близко расположенными от молниеотводов. Значительное повышение потенциала на молниеотводе при прямом ударе молнии в него может вызвать перекрытие изоляции по воздуху, земле или дереву с молниепровода на части указанных коммуникаций. Этим создается опасность для людей, а искрообразование внутри взрывоопасных зданий может вызвать взрыв.

Шаговое напряжение, возникающее при ударе молнии, представляет опасность для людей и животных на расстоянии 5-10 метров от места удара молнии.