Воздействия молний на сооружения и здания
Воздействия разряда молнии принято подразделять на две основные группы: первичные, вызванные прямым ударом, и вторичные, индуцированные близкими ее разрядами или занесенные в объект протяженными металлическими коммуникациями.
Опасность прямого удара и вторичных воздействий молнии для зданий и сооружений и находящихся в них людей и сельскохозяйственных животных определяется, с одной стороны, параметрами разряда молнии, а с другой — технологическими и конструктивными характеристиками объекта.
К таким характеристикам относят: наличие взрывоопасных или пожароопасных зон; огнестойкость строительных конструкций; виды вводимых коммуникаций; расположение линий внутри объекта.
Прямой удар молнии вызывает следующие воздействия на объект: электрические, термические и механические, связанные с поражением людей и животных током и появлением перенапряжений в сети.
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 молния с большими токами и крутизной могут привести к перенапряжениям в распределительной сети в несколько мегавольт.
При отсутствии молниезащиты в здании и сооружении пути растекания тока молнии неконтролируемы и ее удар может создать опасность поражения работников током, опасные напряжения шага и прикосновения, перекрытия на другие объекты.
Термические воздействия, связанные с резким выделением теплоты при прямом контакте канала молнии с содержимым объекта и при протекании через конструкции здания и сооружения тока молнии. Выделяемая в канале молнии энергия определяется переносимым зарядом, длительностью вспышки и амплитудой тока молнии; и 95% случаев разрядов молнии эта энергия, в расчете на сопротивление 1 Ом, превышает 5,5Дж.
Опасная величина энергии на два-три порядка превышает минимальную энергию воспламенения большинства газовых, паровых и пылевоздушных смесей, используемых в промышленности и сельском хозяйстве. Следовательно, в таких средах контакт с каналом молнии всегда создает опасность воспламенения электрооборудования, а в некоторых случаях взрыва конструкции, то же относится к случаям проплавления каналом молнии корпусов взрывоопасных наружных электроустановок. При протекании тока молнии по тонким проводам распределительной сети объекта создается опасность их расплавления и разрыва.
Механические воздействия, обусловленные ударной волной, распространяющейся от канала молнии, и электродинамическими силами, действующими на проводники оборудования с токами молнии. Это воздействие может быть причиной, например, сплющивания тонких металлических трубок электрооборудования.
Контакт с каналом молнии может вызвать резкое парообразование или газообразование в некоторых материалах электроустановок с последующим механическим разрушением, например, расщеплением древесины или образованием трещин в бетоне сооружения или здания.
Вторичные проявления молнии связаны с действием на промышленный или сельскохозяйственный объект электромагнитного поля близких разрядов. Обычно это опасное поле рассматривают в виде двух составляющих: первая обусловлена перемещением зарядов в лидере и канале молнии, вторая — изменением тока молнии во времени. Эти составляющие называют электростатической и электромагнитной индукцией разряда молнии.
Электростатическая индукция проявляется в виде перенапряжения, возникающего на металлических конструкциях промышленного или сельскохозяйственного объекта и зависящего от тока молнии, расстояния до места удара и сопротивления заземлителя электроустановки. При отсутствии надежного заземлителя перенапряжение может достигать сотен киловольт и создавать опасность поражения работников током и перекрытий разрядами между разными частями объекта.
Электромагнитная индукция связана с образованием в металлических контурах ЭДС, пропорциональной крутизне тока молнии и площади, охватываемой контуром объекта. Протяженные коммуникации в современных производственных сооружениях и зданиях могут образовывать охватывающие большую площадь электроустановок контуры, в которых возможно наведение ЭДС в несколько десятков киловольт.
В местах сближения протяженных металлических конструкций, в разрывах незамкнутых контуров, например, арматуре бетонной опоры воздушной линии электропередач, создается опасность перекрытий и искрений с возможным рассеянием энергии около десятых долей джоуля и отключения электроустановки напряжением до и выше 1000В.
Молния чаще всего ударяет в места выхода на поверхность грунтовых вод, на участки стыка пород земли разной удельной электрической проводимости, в места выхлопа газов и выхода дыма из труб (из-за повышенной ионизации воздуха), в наиболее возвышающиеся над землей части зданий и сооружений (рис. 8.11).
Рисунок 8.11- Условные схемы ударов молнии в объекты:
а — места включения грунтов высокой проводимости 1 — глина,
2 — песок; б — стыкование грунтов различной электрической проводимости; в, г — места повышенной ионизация воздуха (выход нагретых газов)
Ударяет разряд молнии в открытую землю и в особые места с большим удельным электрическим сопротивлением, если в земле проложены протяженные металлические трубопроводы или кабельные лини электропередач, а также в опасные места, где имеются включения грунта, хорошо проводящего электрический ток (например, глина).
Еще одним видом опасного воздействия молнии является занос высокого потенциала по вводимым в сооружение или здание коммуникациям (проводам воздушных линий электропередачи, кабелям, трубопроводам). Занос представляет собой перенапряжение, возникающее на коммуникации при прямых и близких ударах молнии и распространяющееся в виде набегающей на объект волны.
Опасность создается за счет возможных перекрытий с вводных коммуникаций на заземленные части сооружения. Подземные коммуникации также представляют опасность, так как могут принять на себя часть растекающихся в земле токов молнии и занести их в здание или сооружение. Тяжесть последствий удара молнии зависит, прежде всего, от взрывной или пожарной опасности здания или сооружения при термических воздействиях молнии, а также искрениях и перекрытиях, вызванных другими видами воздействий.
Например, при производстве сельскохозяйственной продукции, постоянно связанной с открытым огнем, процессами горения, применением несгораемых материалов и конструкций, протекание тока молнии не представляет большой опасности. Напротив, наличие внутри сельскохозяйственного или промышленного объекта взрывоопасной среды создаст угрозу разрушений сооружений, человеческих жертв, больших материальных ущербов.
Поэтому в практике эксплуатации электроустановок принят дифференцированный подход к выполнению молниезащиты различных промышленных и сельскохозяйственных объектов и все здания, и сооружения разделены на три категории, отличающиеся по тяжести возможных последствий поражения молнией.
К первой категории отнесены производственные помещения, в которых в нормальных технологических режимах могут находиться и образовываться взрывоопасные концентрации газов, паров, пыли, волокон. Любое поражение молнией, вызывает взрыв и создает повышенную опасность разрушений и жертв не только для данного объекта, но и для близко расположенных зданий и сооружений.
Во вторую категорию попадают производственные здания и сооружения, в которых появление взрывоопасной концентрации происходит в результате нарушения нормального технологического режима, а также наружные установки, содержащие взрывоопасные жидкости и газы. Для этих объектов удар молнии создает опасность взрыва только при совпадении с технологической аварией или срабатыванием дыхательных, или аварийных клапанов на наружных установках. Благодаря умеренной продолжительности гроз на территории России вероятность совпадения этих событий достаточно мала.
К третьей категории отнесены объекты последствия поражения, которых связаны с меньшим материальным ущербом, чем при взрывоопасной среде. Сюда входят здания и сооружения с пожароопасными помещениями или строительными конструкциями низкой огнестойкости, причем для них требования к защите от молний ужесточаются с увеличением вероятности поражения объекта (ожидаемого количества поражений молнией).
Кроме того, к III категории отнесены объекты, поражение которых представляет опасность электрического воздействия на людей и животных: большие общественные здания, животноводческие строения, высокие сооружения типа труб, башен, монументов. Наконец, к III категории отнесены мелкие строения в сельской местности, где используются сгораемые конструкции. Согласно статистическим данным на эти объекты приходится значительная доля пожаров. Из-за небольшой стоимости этих строений их молниезащита выполняется упрощенными способами, не требующими значительных материальных затрат.
Прямой удар молнии: опасность и основные параметры тока молнии
Прямое попадание молнии – это непосредственный контакт или удар в непосредственной близости заряда плазменного канала молнии.
Опасные последствия ударов молнии
Пожары
По способности поджигать молнию можно сравнить с дугой сварочного аппарата. Если говорить о горючих материалах, то опасность тут несомненна, а вот доставить повреждения металлическим конструкциям ей сложнее, так как на нагрев непосредственно места контакта расходуется лишь малая часть энергии плазменного канала, хотя прожечь тонкое кровельное железо или металлическое покрытие из металлочерепицы она может легко.
Механические повреждения зданий и сооружений
Частные дома и хозпостройки редко поражаются молнией, но если такое случится то разрушения могут быть значительными.
Травмы людей и животных
Смертельным для человека является ток 0,1 А, проходящий через тело в течение 1 с. У молнии же он на порядки больше и хотя время воздействия составляет десятки микросекунд, шансов уцелеть все равно мало. Утешением является то, что явление это крайне редкое, так как человек ростом 2 м «притягивает» к себе молнии с расстояния всего 6 м, а беря во внимание вероятность возникновения самой молнии, это эквивалентно примерно одному удару в 3300 лет жизни.
Выделение опасных продуктов
При повреждениях объектов специального назначения могут выделяться радиоактивные или ядовитые отходы, или еще хуже какие нибудь вирусы и бактериибактерий, вирусов и т.п.
Фотогалерея
Для увеличения и просмотра слайда во весь экран нажмите на соответствующее фото.
Характеристики молнии
Молния была бы не так опасна, если бы не максимальные параметры:
- Пиковое значение тока до 200 кА;
- Полный разряд Qполн = 300 Кл;
- Удельная энергия W/R = 10000 кДж/Ом
- Средняя крутизна 200 кА/мкс
- Температура в канале молнии до 30000 С
Кроме того при прямом ударе в низковольтных сетях вследствие грозовых разрядов возникают максимальные пики напряжения. Из за высокой энергоемкости при наличии внешней системы молниезащиты и отсутствии защиты от перенапряжений это может полностью вывести из строя подключения потребителей и повреждение изоляции.
Ток молнии
В момент касания (непосредственно удара) молнией объекта (земли, здания, сооружения), ее канал, который может составлять длину несколько километров, старается получить нулевой потенциал этого объекта, для чего его заряд быстро стекает в землю. Это так называемая главная стадия молнии.
Канал молнии характеризуется тем, что заряд в нем стекает не моментально, а распространяется согласно волновому процессу с волновым сопротивлением Z, минимальные значения которого около 500 Ом. По закону Ома получаем, что Im=U/Z=108/500 = 200000 А.
Это верхний предел токов молнии, в действительности обычно он заметно слабее. В таблице ниже приведены измеренные и подтвержденные опытным путем вероятности разных значений тока молнии:
| Вероятность P | Ток молнии |
| 50% | >30 кА |
| 5% | >80 кА |
| 2% | >100 кА |
| 0,1% | >200 кА |
Полярность
У молний это означает знак заряда, который достигает земли или объекта. Значения из предыдущего раздела относятся к самым «популярным» в РФ отрицательным молниям, количество их 90% от общего числа молний.
Интересные материалы по этой теме:
Последствия удара молнии в человека
О том, какие последствия могут ожидать организм человека после удара молнией. Описаны результаты прямого попадания, а также то, как это сказывается на здоровье через какое то время. Также представлена статистика поражений в результатах гроз и молний.
Виды и типы молний
Что такое спрайты, эльфы и джеты? Огни Святого Эльма — это молнии или нет? Что же такое на самом деле шаровая молния? Об этом в данной статье.
Молния как оружие
Что значила молния в древней мифологии, ее символизм в оружие древних народов? Опыты Теслы и изобретение Франклина, история экпериментов и современные разработки. Зачем пытаются управлять молнией и как ее учат защищать?
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Прямой удар молнии в сооружение помимо первичного воздействия проявляется и в явлениях вторичных воздействий. В результате этого внутри взрывоопасных по-мещеиий могут возникнуть высокие напряжения, опасные при разряде ( искра) на изолированных от земли металлических предметах при воздействии электрической индукции и во всех незамкнутых металлических контурах при электромагнитной индукции. [2]
Прямой удар молнии — непосредственный контакт молнии с объектом, когда ток молнии протекает через объект. [3]
Прямой удар молнии наводит на рядом находящихся заземленных предметах и токоведущих частях потенциалы в несколько миллионов вольт, что может вызвать обратный разряд с этих частей на землю. [4]
Прямой удар молнии непосредственно в молниеотвод-ные устройства объекта или вблизи его вызывает явления вторичного воздействия молнии на объект. Вторичные воздействия проявляются в виде электростатической и электромагнитной индукции. [5]
Прямой удар молнии в линию без троса обычно поражает один из проводов и вызывает перекрытие фазы на землю. В сетях 35 кв с изолированной или компенсированной нейтралью дуга, вызванная замыканием на землю, гаснет обычно в течение нескольких периодов и, следовательно, не вызывает отключения линии. Отключение линии происходит вследствие возникновения междуфазного короткого замыкания в результате обратного перекрытия на неповрежденных фазах. Защитный уровень таких линий не превышает 45 ка. [6]
Прямой удар молнии и вторичные проявления ее опасны тем, что они могут поразить людей, находящихся внутри цеха, возле него или вблизи грозозащитных устройств. [7]
Прямой удар молнии может произвести разрушение сооружений и оборудования в результате мгновенного нагрева воздуха, резкого его расширения и ударного действия, а также воспламенения горючих веществ и материалов. [9]
Часто прямым ударам молнии подвергаются сооружения, возвышающиеся над окружающими строениями, например неметаллические дымойые трубы, башни, пожарные депо и строения, отдельно стоящие в открытой местности. Очень высокие объекты ( телевизионные мачты, привязные аэростаты) могут быть поражены молнией в точках, расположенных заметно ниже их вершины; этот эффект связан с воздействием на путь молнии объемных зарядов, создаваемых в атмосфере этими объектами. [10]
Прямым ударом молнии подвергаются все открытые части станций, подстанций и подходы к ним; эти элементы установок надежно защищают молниеотводами. [11]
Поскольку прямой удар молнии в здание и сооружение представляет большую опасность, то следует подробнее рассмотреть отдельные элементы различных систем, обеспечивающие надежную молниезащиту. [12]
От прямых ударов молнии должны быть защищены: открытые РУ, шинные мосты и гибкие связи, сооружения для ремонта трансформаторов и маслохозяйство, включая масляные баки. Защита сооружений ремонтно-масляного хозяйства, имеющих металлические конструкции или кровлю, может осуществляться посредством заземления последних. [13]
Механизм прямого удара молнии в контактную сеть следующий. Первоначально от облака к контактному проводу развивается ионизированный канал ( лидер), имеющий примерно потенциал облака. [14]
От прямых ударов молнии производственные сооружения защищают с помощью молниеотводов. [15]
Пять самых опасных воздействий молнии
Для определения степени опасности воздействия молнии на человека, строения и оборудование мы в этой статье взяли два критерия. Первый — насколько реально людям спастись от последствий. Скажем, если молния ударила в человека в чистом поле, то он часто теряет способность оказать себе помощь. Если же молния ударила в здание, где находятся учреждение, и там начался пожар, то, при правильно организованных пожарных выходах у людей велики шансы спастись и даже не пострадать. Второй критерий — возможное количество жертв при попадании молнии.
1. Удар молнии в склад или завод, где располагаются легковоспламеняющиеся или взрывчатые вещества
Данный вид объектов чрезвычайно опасен тем, что к взрыву или сильному пожару может привести не только прямое попадание молнии, но и индуцированное электростатическое напряжение, вызывающее искру. Для пожара или взрыва молнии не обязательно ударять непосредственно в здание. Достаточно лишь создаться «предгрозовой атмосфере» в районе, где находится объект.
Другая проблема — скользящие разряды. Для предотвращения взрывов из-за статического электричества, возникающего в результате трения, хранилище легкогорючих или взрывоопасных веществ в обязательном порядке заземляют. При неправильном устройстве системы молниезащиты между заземлителями молниеотвода и хранилища могут проскакивать одиночные искры. Индуцированное статическое электричество и скользящие разряды относятся к так называемым вторичным воздействиям молнии, когда прямой удар — к первичным.
Взрывная волна распространяется так быстро, что эвакуировать людей не представляется возможным. Например, 1 кг тротила взрывается за 0,00001 с. В эпицентре взрыва температура достигает +3000 C. А дополнительным опасным фактором является выделение вредных веществ при горении.
Следует иметь в виду, что взрывоопасными при определённых условиях могут быть вещества, вполне безобидные в быту. Например, мука. Пакет муки не взорвётся. Но в условиях мелькомбината в воздухе летает взвесь муки, которая уже способна взорваться от искры. То же можно сказать, например, и о заводах производящих удобрения, элеваторах, пивных комбинатах. Вот почему к молниезащите заводов и складов следует отнестись со всей серьёзностью, обращая внимание на то, что там хранится и используется в производственном цикле.
2. Удар молнии в человека либо действие шагового напряжения
Шанс получить прямой удар молнии в тело во время грозы оценивается от 1:900000 до 1:300000. Прямой удар молнии в человека, как правило, происходит на открытых пространствах. В этом случае воздействие оценивается в сотни киловольт. Но, несмотря на это, из людей, переживших прямое попадание молнии, сразу погибают только 10%. Причина заключается в том, что для человека опасен не сам по себе электрический ток, а его воздействие на сердце, которые может привести к остановке. Кроме этого, опасным последствием воздействия электрического тока являются судороги мышц.
При ударе молнии ток действует кратковременно. К тому же, он проходит в основном по поверхности тела. В результате сердце не всегда останавливается, а судороги не приводят к фатальным последствиям. Особенно, если человеку сразу после удара молнии была своевременно оказана первая помощь.
Тем не менее, большой процент выживших при ударе молнии не должен вас в вводить в заблуждение, что молния не так уж и опасна. Удар молнии вызывает, как правило, серьёзные необратимые изменения в организме, которые могут проявиться потом, даже через много лет. В частности, около 50% людей, переживших прямое попадание молнии, имеют потом проблемы со зрением и слухом.
Природа возникновения шагового напряжения
При грозе не рекомендуется не только находиться на открытом пространстве, но и стоять вблизи деревьев, водоёмов и других мест, куда с большой вероятностью могут попасть молнии. Опасность заключается в так называемом шаговом напряжении, относящимся к вторичным воздействиям молнии. При ударе молнии электричество «растекается» по земле. Если неподалеку находится человек, то между его двумя ногами возникает разность потенциалов. Току молнии легче протекать через ноги человека, чем по поверхности земли.
Шаговое напряжение опасно на расстоянии порядка нескольких десятков метров от места удара молнии. При этом значение шагового напряжения может достигать единиц киловольт. Наиболее страшная ситуация — когда человек, либо спасаясь от удара молнии на открытом пространстве, либо из-за ухудшения самочувствия, вызванного стрессом, лег на землю. Тогда расстояние между крайними точками его тела будет максимальным, и, соответственно, разность потенциалов будет в несколько раз больше по сравнению с ситуацией, когда он стоял в том же месте. Наконец опасное шаговое напряжение может возникнуть рядом с неправильно обустроенным молниеотводом.
При попадании молнии в дерево спрятавшийся под ним человек попадает под действие шагового напряжения
Какой-либо статистики по поражению людей шаговым напряжением при ударе молнии в открытом доступе нет. Но, можно предположить, что таких случаев не меньше, чем при прямом ударе молнии. Здесь сказывается психологический фактор. Выйти на открытое пространство в грозу мало кто решится, этому просто будут противиться заложенные в нас инстинкты. Другое дело — спрятаться от грозы, а, заодно и дождя, например, под деревом. Или под импровизированным навесом из металлических труб, возведенным зачастую без учёта необходимости защиты от действия молнии.
3. Попадание молнии в жилое, торговое, офисное или производственное (кроме зданий, указанных в п. 1) здание с последующим пожаром
В том случае, если в офисном, торговом или производственном здании применены отделочные материалы, соответствующие нормам пожарной безопасности, есть действующие запасные выходы, а персонал прошёл инструктаж, ущерб ограничится только повреждением или утратой имущества в пожаре. Но в реальности нужно обратить внимание на два момента.
Во-первых, не всегда используются отделочные материалы должных типов и не всегда полностью обеспечены пути для эвакуации, которыми можно воспользоваться сразу же. Иногда проблемы возникают из-за несоответствия норм у разных ведомств. Хрестоматийный пример — магазины ювелирных изделий. По нормам одного ведомства, должны быть надёжные решетки на окнах. По нормативам другого — решетки в случае опасности должны сразу сниматься. Современные технологии, конечно, позволяют сочетать эти требования, но итоговое решение оказывается не по карману большинству владельцев магазинов.
Во-вторых, покинув горящее здание, люди оказываются на улице, где в них может попасть молния. Поэтому нужно предусмотреть молниезащиту прилегающей территории.
Особенно много проблем возникает в жилых домах, так как нет эффективных рычагов воздействия, которые бы позволили принудить их жильцов соблюдать правила пожарной безопасности.
4. Нарушение работы объектов инфраструктуры
Удары молнии могут приводить к нарушениям в работе систем связи и энергоснабжения. Этот негативный эффект известен уже более 100 лет. А вот что привнесла современная цифровизация.
Сейчас управляющие компьютеры используются повсеместно. Если не принять специальные меры, то на них воздействуют не только прямые разряды молнии, но и индуцированное статическое электричество. Например, уже известны случаи, когда из-за действия молнии за сотни метров от места происшествия останавливались лифты или прекращалось водоснабжение, хотя электропитание исправно подавалось.
Особенно опасно воздействие молнии на современные транспортные средства, которые имеют цифровое управление, зачастую даже не продублированное механическими средствами. Например, известны случаи остановки высокоскоростных поездов в результате удара молнии только потому, что завис управляющий компьютер. Естественно, прогресс не остановить, но при разработке систем управления приходится иметь в виду необходимость молниезащиты, даже когда речь идёт не о самолёте, а о поезде. Но пока ещё в кабине транспортного средства есть люди, управляющие им и способные взять на себя управление в случае отказа автоматики. А что будет, когда наступит эра беспилотных транспортных средств? Это означает, что уже в ближайшем будущем придется серьёзно продвинуть вперёд науку о молниезащите.
5. Психологическое воздействие на людей и животных
Удар молнии вблизи человека, даже если это явление природы не привело к физическому воздействию на его тело — большой стресс. В будущем он может привести к развитию фобий. Собственно, такая проблема была всегда. Но в наши дни она усугубляется большими информационными потоками, способными закрепить фобии в сознании человека. Современный кинематограф для повышении прибыльности активно эксплуатирует страхи зрителей, а компьютерные технологии позволяют очень красочно показать действие молнии на экране. Интернет, особенно социальные сети, является практически идеальной средой для распространения всевозможных «страшилок».
Молний боятся также домашние животные, особенно собаки. Большой проблемой является убегание в грозу собак от хозяев. В том случае, если собака была специально натренирована защищать хозяина, попадание её в незнакомую среду в сочетании со стрессом может привести к её агрессии против окружающих.
Выводы
Для защиты от перечисленных воздействий молнии и грозы, как правило, приходится иметь дело с ведомственными инструкциями, либо с большим количеством разрозненных норм. Скажем, молниезащита для хранилищ взрывоопасных веществ регулируется ведомственными инструкциями и стандартами организации. Обязательных норм по молниезащите частных домов на селе в нашей стране просто нет. А что касается молниезащиты мест скопления людей на открытом воздухе, например, в парках, то здесь приходится каждый раз искать новые подходы.