Молния и её опасность

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«СЫКТЫВКАРСКИЙ УЧЕБНЫЙ ЦЕНТР ФПС»

Реферат

по дисциплине: Пожарная безопасность электроустановок

Тема: «Молния и её опасность»

Реферат выполнил: слушатель группы СНС

Бурбилович К.С.

Проверил: преподаватель

майор внутренней службы И.В.Осипов

Сыктывкар 2013

Содержание

Введение

1. Молния. Параметры и характеристика

2. Опасные воздействия молнии

2.1 Опасность прямого контакта с каналом молнии и с каналами встречных лидеров

2.2 Опасность растекания тока молнии по металлическим конструкциям сооружения, его коммуникациям и в земле

2.3 Опасность воздействия электромагнитного поля молнии

Заключение

Список литеры

молния электрический разряд

Введение

Молния - гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молнии представляют серьёзную угрозу для жизни людей.

Ток в разряде молнии достигает 10 - 100 тысяч ампер, напряжение - от десятков миллионов до миллиардов вольт, тем не менее, погибает после попадания молнии в человека лишь 47,3 % людей. Электрическая природа молнии была раскрыта в исследованиях американского физика Б. Франклина, по идее которого был проведён опыт по извлечению электричества из грозового облака. Средняя длина молнии 2,5 км, некоторые разряды простираются в атмосфере на расстояние до 20 км.

Часто молния попадает в деревья и трансформаторные установки на железной дороге, вызывая их возгорание. Обычный грозовой разряд опасен для телевизионных и радиоантенн, расположенных на крышах высотных зданий, а также для сетевого оборудования.

1. Молния. Параметры и характеристика

Молния - это электрический разряд, развивающийся между грозовым облаком и землей или каким-либо наземным сооружением по причине возникающей большой разности их электрических потенциалов. Необходимым условием такого разряда является ионизация газа под воздействием электрического поля грозового облака большой напряженности.

В воздухе нормальной плотности для этого требуется напряженность электрического поля Е порядка 3000 кВ/м.

Общая длина канала молнии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится внутри грозового облака.

Напряжение, возникающее при разряде, по различным оценкам находится в пределах 30-100 МВ.

Перекрытие столь длинных воздушных промежутков таким относительно низким напряжением становится возможным благодаря лидерному механизму развития молнии.

Разряд начинается с развития лидера - слабо светящегося канала с током в несколько сотен ампер. Высоко ионизированный плазменный канал лидера продвигается к земле в результате ионизационных процессов, которые происходят только вблизи его головки. Электрическое поле большой напряженности требуется в атмосфере лишь в зоне старта лидера. Далее процесс становится самоподдерживающимся, обеспечивая высокую напряженность электрического поля в области головки продвигающегося канала за счет многократного усиления поля подобно тому, как это происходит у концов длинного металлического электрода малого радиуса.

Для поддержания роста лидера достаточно компенсировать потерю напряжения на удлиняющемся канале.

Развитие молнии завершается после достижения лидером поверхности земли.

Лидер молнии может возникнуть не только в облаке, но и у вершины высоких наземных сооружений, где резко усилена напряженность электрического поля атмосферы. Такой лидерный канал будет двигаться вверх. Если он достигнет грозового облака, то произойдет разряд молнии, который называют восходящей молнией, в отличие от нисходящей, лидер которой формируется от облака к земле.

В равнинной местности доля восходящих молний значительна для объектов, высота которых превышает 100-200 м, а для сверхвысоких, таких как Останкинская телебашня, восходящие молнии составляют свыше 90% от общего числа ударов молнии. Однако в некоторых районах, где из-за рельефа местности высота объекта может суммироваться с естественными возвышениями, восходящие молнии нередко возникают от сооружений не выше 30-50 м.

Для траектории молнии характерна сильная кривизна, но у восходящих молний траектории искривлены меньше. Их точка старта, как правило, привязана к вершине объекта, у которой максимально усилено электрическое поле, и именно через вершину пройдет ток молнии.

У нисходящих молний все обстоит сложнее. Двигаясь по извилистой траектории, лидер молнии может приближаться к объекту сбоку, наводя за счет электростатической индукции наибольший заряд не у вершины, а в какой-либо точке боковой поверхности объекта. Там возникает очаг ионизации и оттуда, на перехват лидера нисходящей молнии, начнет развиваться встречный лидер, предопределяя тем самым точку поражения объекта. Такие прорывы молнии к боковой поверхности заземленных объектов происходят тем вероятнее, чем больше их высота.

Неопределенность точки удара делает нисходящие молнии более опасными. Именно эти молнии диктуют величину превышения молниеотвода над объектом.

Средняя скорость лидера молнии 3105 м/с, а лидерная стадия молнии продолжается примерно 0,01 с.

При ударе молнии в пораженном объекте выделяется часть энергии, накопленной в электрическом поле грозового облака.

Передача энергии от облака к пораженному объекту происходит электрическим током молнии.

Приблизительно 90% молний переносят от облака к земле отрицательный заряд. Большинство таких отрицательных молний являются многокомпонентными. При этом ток первого компонента обычно превышает ток последующих.

Большинство положительных молний не имеет повторных компонентов. Для них характерны повышенные амплитуды тока и большие длительности импульсов.

2. Опасные воздействия молнии

Молния создает пожаро- и взрывоопасные воздействия для зданий, сооружений, оборудования и представляет опасность для людей.

Опасность воздействия разряда молнии определяется тремя основными факторами:

- высокой температурой ее канала, способной превысить 20000 К, и температурой встречных лидеров, доходящей примерно до 5000 К, а также разогревом проводников, по которым распространяется ток молнии;

- мощным электромагнитным полем, которое возникает в воздухе вблизи канала разряда, проникает в землю и частично во внутренние объемы зданий и сооружений, в том числе со сплошными металлическими оболочками;

- динамическим воздействием тока молнии и ударной волной, проявляющейся особенно сильно, когда она распространяется в плотных средах, создавая эффект электрогидравлического воздействия.

Помимо непосредственного контакта с каналом разряда, ущерб от воздействия молнии может быть вызван полным или частичным растеканием ее тока по конструкциям и коммуникациям объекта, а также электромагнитным полем при его взаимодействии с электрическими цепями или проводящими конструктивными элементами.

Воздействия молнии подразделяют на первичные, вызванные прямым ударом молнии, и вторичные, индуцированные близкими разрядами молнии или занесенные в объект протяженными металлическими коммуникациями.

2.1 Опасность прямого контакта с каналом молнии и с каналами встречных лидеров

Главным поражающим фактором при прямом контакте следует считать термическое воздействие. После главной стадии молнии ее канал, имеющий диаметр не менее 1 см и температуру около (1-2)104 К способен послужить запалом, поджигающим взрывоопасные газовые смеси и строительные конструкции, выполненные из горючих материалов.

Опасность поджога увеличивается двумя обстоятельствами:

Следом за главной стадией молнии с мощным импульсным током, формирующим ударную волну, которая сдувает пламя, следует пауза порядка 0,1 секунды с током 100-500 А, достаточным для поддержания газа в канале при температуре, близкой к температуре электрической дуги, но не обеспечивающий такого воздушного дутья, которое способно помешать поджогу;

Более 50% разрядов молнии имеют длительность свыше 0,2 с, а у некоторых она превышает 1 с, что вполне достаточно для поджога.

Поджигающую функцию могут выполнить и каналы встречных лидеров. Они стартуют от внешних обстроек сооружения с тем большей вероятностью, чем больше высота и меньше радиус кривизны возвышающихся элементов конструкции. Появление встречного лидера не всегда сопровождается ударом молнии в сооружение. Молния может быть перехвачена молниеотводом, поразить землю или соседние объекты. Иногда разряда молнии вообще может не быть. При этом лидер от объекта развивается за счет электрического поля грозового облака, подобно лидеру восходящей молнии, но затухает, преодолев путь от нескольких метров до нескольких десятков метров.

Канал встречного лидера не может поджечь какой-либо твердый материал из-за малого времени своего существования и отсутствия достаточно плотного контакта канала с поверхностью материала. Однако легковоспламеняющуюся газовую смесь он поджечь может.

Еще одним последствием прямого контакта с каналом молнии является прожог и проплавление металлических обшивок. Это происходит в результате интенсивного выделения тепла в приэлектродном слое, где на длине около 10-3 мм падает напряжение 10 - 20 В. Выделяющаяся здесь энергия для молнии со средними параметрами составляет 100 -200 Дж. Этого достаточно, чтобы разогреть до температуры плавления объем металла не более 0,1 см3. Повреждения таких малых размеров в большинстве случаев не в состоянии существенно снизить механическую прочность строительных конструкций, но способны воспламенить горючие газовые смеси во внутреннем объеме сооружения.

Не только прожоги, но и просто образование горячих точек на внутренней поверхности металлической обшивки могут представлять опасность для сооружений с горючими или взрывоопасными газовыми смесями.

Толщина стенки обшивки должна быть подобрана так, чтобы температура нагретой зоны металла в месте контакта с каналом молнии не превышала температуру вспышки.

Динамические воздействия молнии обусловлены:

- ударной волной, которая возникает в результате резкого повышения давления газа в канале во время главной стадии;

- электродинамическими усилиями из-за взаимодействия токов в канале и в пораженном проводнике;

- электрогидравлическими и электрогазодинамическими эффектами в зоне контакта молнии с жидкими средами или газогенерирующими материалами.

Все перечисленные виды воздействий, как правило, не представляют серьезной опасности для наземных сооружений.

Хотя ударная волна первоначально имеет давление на фронте в несколько сотен Н/см2, однако оно убывает на порядок уже на расстоянии 0,2-0,5 м.

Импульс силы от электродинамического воздействия тока молнии может вызвать деформацию тонких трубок, обрыв проводников и повреждение других мелких элементов на наружных обстройках пораженного сооружения.

Наиболее серьезные механические повреждения создают электрогидравлические и газодинамические воздействия, которые проявляются интенсивным испарением жидкости, например, воды в месте соприкосновения с высокотемпературным каналом, а также генерированием больших объемов газа при термическом разложении синтетических материалов.

Известное расщепление молниями деревьев связано именно с этими эффектами. Наблюдались также расслоения слоистых пластических материалов, заметные разрывы и вмятины.

2.2 Опасность растекания тока молнии по металлическим конструкциям сооружения, его коммуникациям и в земле

Электродинамическое воздействие тока молнии при растекании тока по металлоконструкциям сооружения не превышает указанного в разделе 2.1

Термическое воздействие сводится к разогреву проводников, по которым проходит ток молнии или его часть.

Электромагнитное воздействие при распространении тока молнии по металлическим конструкциям связано с возникновением активного и индуктивного падения напряжения. Индуктивная составляющая напряжения создает наибольшую опасность воздействия тока молнии, распространяющегося по металлическим конструкциям сооружения, для человека при его контакте с проводником, по которому распространяется ток молнии. В том случае, когда элемент токопровода и другие строительные конструкции или случайно состыкованные детали создают проводящий контур с изоляционным зазором, все индуктированное напряжение действует в зазоре, вызывая там искровой электрический разряд. Длина перекрытого воздушного промежутка в зазоре может быть достаточно велика, достигая 0,5-1,0 м.

Индуктивная составляющая напряжения не имеет значения, когда ток молнии распространяется по сплошным металлическим оболочкам, например, по оболочкам кабеля или трубам кругового сечения. В этом случае напряжение на изоляции между оболочкой (трубой) и внутренними цепями определяется только сопротивлением оболочки (трубы) постоянному току и для его приближенной оценки может быть использовано выражение:

Uиз=RобlобI ,

где Rоб - сопротивление постоянному току единицы длины оболочки (трубы);

lоб - длина оболочки (трубы).

Например, для силовой цепи сигнальных огней на крыше монтажного корпуса высотой 200 м в случае прокладки в стальной трубе толщиной 2 мм и диаметром 20 мм при rоб=8,7510-4 Ом/м при распространении по трубе тока молнии предельной амплитуды Iм=200 кА напряжение будет составлять:

Uиз=8,7510-4200200=35 кВ.

Следует отметить, что заземление оболочки на входе коммуникации в сооружение не ограничивает уровня перенапряжения. Следствием воздействия Uиз на изоляцию может быть ее перекрытие на внутреннем конце с выделением в искровом канале энергии:

Wискр=,

где Cо - емкость внутренней цепи относительно оболочки на единицу длины, пкф/м.

Так как на практике используют цепи с Со 20 пкф/м, то энергия в приведенном примере превысит 2 Дж даже в том случае, когда будет отсутствовать подпитка искрового канала током короткого замыкания силовой цепи. Для взрывоопасных помещений искра такой интенсивности представляет реальную опасность.

Активное сопротивление определяет степень опасности и при растекании тока молнии по заземлителю объекта. Если сопротивление заземлителя равно Rз, то при токе Iм потенциал присоединенных к нему коммуникаций и металлоконструкций увеличится на

з=RзIм

Величина з может достигать мегавольт, учитывая, что по требованиям молниезащиты Rз=10 - 40 Ом.

Металлический проводник или коммуникация (например, трубопровод) перенесут высокий потенциал в удаленные области, где строительные элементы не связаны с заземлителем и находятся под нулевым потенциалом. В результате между ними и проводником, присоединенным к заземлителю, возникнет высокое напряжение, в предельном случае близкое к RзIм, под действием которого могут возникнуть искровые разряды, опасные для сооружения.

Это явление названо в молниезащите заносом высокого потенциала. Однако в равной мере опасен не только занос высокого потенциала к элементам конструкции, находящимся под нулевым потенциалом, но и занос нулевого потенциала к конструкциям, которые присоединены к заземлителю и вместе с ним имеют повышенный потенциал (з=RзIм). При прочих равных условиях в этом случае изменится лишь полярность напряжения, действующего на изоляцию, но не его величина.

Занос высокого потенциала возможен и тогда, когда металлическая коммуникация не имеет непосредственного контакта с заземлителем, по которому растекается ток молнии, но расположена в земле в непосредственной близости от него. Это связано с электрическим полем, которое возникает в земле при растекании тока молнии.

Например, в случае полусферического заземлителя радиуса rз плотность тока в однородном грунте с удельным сопротивлением равна:

,

где r - расстояние от центра полусферы, а напряженность электрического поля в земле равна:

,

и она обеспечивает напряжение между двумя произвольными точками ra и rв, равное:

Именно эту природу имеет шаговое напряжение, которое может воздействовать на человека, оказавшегося вблизи заземлителя молниеотвода. При разности

r=rв - rа ,

соответствующей длине шага, воздействующее напряжение тем больше, чем меньше rа и rв, т.е. чем ближе к заземлителю указанные точки.

Для средних по качеству грунтов, где 100 Омм, при растекании предельного тока молнии Iм=200 кА с заземлителя радиусом rз=2 м напряжение при r=1 м непосредственно у заземлителя составит:

,

тогда как в удалении от него на 20 м (rа=22 м; rв=23 м) оно уменьшится примерно в 85 раз и не превысит 6,5 кВ.

Сильные электрические поля непосредственно у заземлителей становятся причиной развития каналов электрического разряда в воздухе вдоль поверхности грунта, способных поджигать тяжелые парогазовые смеси, которые в определенных условиях накапливаются у земли, например, вблизи резервуаров с нефтепродуктами.

Развитие искровых каналов от заземлителя в глубине земли приводит к пробою на трубопроводы и другие подземные коммуникации, если они заложены в грунт достаточно близко от заземлителя. Механизм этого пробоя плохо изучен.

При пробое грунта между заземлителем и коммуникацией в направлении последней может ответвляться значительная доля тока молнии. Возникающая при этом ситуация по основным проявлениям эквивалентна прямому удару молнии в эту коммуникацию или в объект, с которым она связана.

2.3 Опасность воздействия электромагнитного поля молнии

Опасность воздействия электромагнитного поля в молниезащите связана с явлением электромагнитной индукции. ЭДС, возникающая вследствие этого явления в любом контуре, образованном металлоконструкциями сооружения, его коммуникациями и просто случайно контактирующими деталями, действует в месте разрыва проводников, и может вызвать в воздушном зазоре электрический разряд.

Элементы строительных конструкций могут создавать контуры площадью во многие десятки м2, поэтому вероятность искрообразования за счет электромагнитного поля молнии становится весьма значительной. Не менее значительна и вероятность перекрытия изоляции силовых электрических цепей, если они питаются от воздушных ЛЭП, провода которых очень часто подвержены воздействию электромагнитного поля молнии.

Электрическое поле при растекании тока молнии в земле является причиной возбуждения импульсов токов в подземных коммуникациях даже в том случае, когда исключен пробой промежутка, отделяющего их от заземлителя молниеотвода. Явление стягивания нитей тока к высокопроводящей коммуникации проявляется тем эффективней, чем ниже сопротивление заземлителя, к которому она присоединена на одном или двух концах. При этом удельное сопротивление грунта заметного влияния не оказывает. В практически важных случаях при расстоянии между заземлителем молниеотвода и коммуникацией около 10 м в ней может сконцентрироваться около 20-50% тока молнии, создавая тем самым и для коммуникации, и для ее заземлителя токовый режим воздействия, близкий по основным параметрам к прямому удару молнии.

Заключение

Молния - гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Молнии представляют серьёзную угрозу для жизни людей.

Молния создает пожаро - и взрывоопасные воздействия для зданий, сооружений, оборудования и представляет опасность для людей.

Опасность воздействия разряда молнии определяется тремя основными факторами:

- высокой температурой ее канала, а также разогревом проводников, по которым распространяется ток молнии;

- мощным электромагнитным полем;

- динамическим воздействием тока молнии и ударной волной.

Наиболее серьезные механические повреждения создают электрогидравлические и газодинамические воздействия, которые проявляются интенсивным испарением жидкости, например, воды в месте соприкосновения с высокотемпературным каналом, а также генерированием больших объемов газа при термическом разложении синтетических материалов.

Список литературы

1. Маслаков М.Д., Пелех М.Т., Родионов В.А., Хорошилов О.А. Пожарная безопасность электроустановок. Молниезащита и защита от статического электричества Санкт-Петербург Издательство Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России 2010г;

2. СО 153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений, промышленных коммуникаций»;

3. Обеспечение пожарной безопасности электроустановок: учебное пособие. - Черкасов В.Н., Зыков В.И. - М., «Пожнаука», 2010г.

Размещено на Allbest.ru