Атмосферний електрику утворюється і концентрується в хмарах - утвореннях з дрібних водяних частинок, що знаходяться в рідкому і твердому стані.
Площа океанів і морів складає 71% поверхні земної кулі. Кожен 1 см2 поверхні Землі протягом року в середньому отримує 460 кДж сонячної енергії. Підраховано, що з цієї кількості 93 кДж / (см * рік) витрачається на випаровування води з поверхні водних басейнів. Піднімаючись вгору, водяні пари охолоджуються і конденсуються в найменшу водяний пил, що супроводжується виділенням теплоти пароутворення (2260 кДж / л). Утворився надлишок внутрішньої енергії частково витрачається на емісію часток з поверхні найдрібніших водяних крапельок. Для відділення від молекули води протона (Н) потрібно 5,1 еВ, для відділення електрона -12,6 еВ, а для відділення молекули від кристала льоду досить 0,6 еВ, тому основними емітуються частками є молекули води і протони. Кількість емітованих протонів пропорційно масі частинок. Результуючий потік протонів завжди спрямований від більш великих крапельок до дрібних. Відповідно більш великі крапельки набувають негативний заряд, а дрібні - позитивний. Чиста вода - хороший діелектрик і заряди на поверхні крапельок зберігаються тривалий час. Більш великі важкі негативно заряджені крапельки утворюють нижній негативно заряджений шар хмари. Дрібні легкі крапельки об'єднуються у верхній позитивно заряджений шар хмари. Електростатичне тяжіння різнойменно заряджених шарів підтримує збереження хмари як цілого.
Емісія протонів виникає додатково при кристалізації водяних частинок (перетворенні їх на сніжинки, градинки), тому що при цьому виділяється теплота плавлення, рівна 335 кДж / л. При зіткненнях крапельок, сніжинок, градінок робота вітру в кінцевому рахунку призводить до емісії протонів, до зміни величини заряду частинок. Отже, атмосферний електрику (АТЕ) і статичну електрику (СТЕ) мають однакову фізичну природу. Розрізняються вони масштабом утворення зарядів і знаком емітуються часток (електрони або протони).
Про єдність природи Ате і СТЕ свідчать досвідчені дані. Сухий сніг являє собою типове сипуча тіло; при терті сніжинок один про одного і їх ударах об землю і про місцеві предмети сніг повинен електризуватися, що і відбувається в дійсності. Спостереження на Крайній Півночі і в Сибіру показують, що при низьких температурах під час сильних снігопадів і завірюх електризація снігу настільки велика, що відбуваються зимові грози, в хмарах снігової куряви бувають видно сині і фіолетові спалаху, спостерігається світіння загострених предметів, утворюються кульові блискавки. Дуже; мулові хуртовини іноді заряджають телеграфні дроти так сильно, що підг: ються до них електролампочки світяться повним напруженням. Ті ж явища спостерігаються під час сильних курних (піщано) бур.
Наявність безлічі взаємодіючих факторів дає складну картину розподілу зарядів Ате в хмарах і їх частинах. За експериментальними даними нижня частина хмар найчастіше має негативний заряд, а верхня - позитивний, але може мати місце і протилежна полярність частин хмари. Хмари можуть також нести переважно заряд одного знака.
Заряд хмари (частини хмари) утворюють дрібні однойменно заряджені частинки води (у рідкому і твердому стані), розміщені в обсязі декількох км3.
Електричний потенціал грозової хмари становить десятки мільйонів вольт, але може досягати 1 млрд. В. Однак загальний заряд хмари дорівнює кільком кулон.
Основною формою релаксації зарядів Ате є блискавка-електричний розряд між хмарою і землею або між хмарами (частинами хмар). Діаметр каналу блискавки дорівнює приблизно 1 см, струм в каналі блискавки становить десятки кілоампер, але може досягати 100 кА, температура в каналі блискавки дорівнює приблизно 25 000 ° С, тривалість розряду становить частки секунди.
Блискавка є потужним вражаючим небезпечним фактором. Прямий удар блискавки призводить до механічних руйнувань будівель, споруд, скель, дерев, викликає пожежі і вибухи, є прямою або непрямою причиною загибелі людей. Механічні руйнування викликаються миттєвим перетворенням води та речовини у пар високого тиску на шляхах протікання струму блискавки в названих об'єктах. Прямий удар блискавки називають первинним впливом атмосферної електрики.
До вторинного впливу Ате відносять: електростатичну і електромагнітну індукції; занесення високих потенціалів в будівлі і споруди.
Розглянемо небезпечні чинники вторинного впливу Ате. Утворився електростатичний заряд хмари наводить (індукцірует) заряд протилежного знаку на предметах, ізольованих від землі (устаткування всередині і поза будівлями, металеві дахи будівель, проводи ЛЕП, радіомережі й т. п.). Ці заряди зберігаються і після удару блискавки. Вони релаксують зазвичай шляхом електричного розряду на найближчі заземлені предмети, що може викликати електротравматизму людей, займання горючих сумішей і вибухи. У цьому полягає небезпека електростатичної індукції.
Явище електромагнітної індукції полягає в наступному. У каналі блискавки протікає дуже потужний і швидко змінюється в часі струм. Він створює потужний змінне в часі магнітне поле. Таке поле індукує в металевих контурах електрорушійну силу різної величини. У місцях зближення контурів між ними можуть відбуватися електричні розряди, здатні запалити горючі суміші і викликати електротравматизму.
Занесення високих потенціалів в будівлю відбувається в результаті прямого удару блискавки в металлокоммунікаціі, розташовані на рівні землі або над нею поза будівлями, але що входять всередину будівель. Тут під металлокоммунікаціямі розуміють рейкові шляхи, водопроводи, газопроводи, проводи ЛЕП і т. п. Занесення високих потенціалів всередину будівлі супроводжується електричними розрядами на заземлене обладнання, що може призвести до спалаху горючих сумішей і електротравматизму людей.
ЗАХИСТ ВІД АТМОСФЕРНОГО ЕЛЕКТРИКИ
Необхідна ступінь захисту будівель, споруд і відкритих установок від впливу атмосферного електрики залежить від вибухопожежонебезпеки названих об'єктів і забезпечується правильним вибором категорії пристрою блискавкозахисту і типу зони захисту об'єкту від прямих ударів блискавки.
Ступінь вибухопожежонебезпечності об'єктів оцінюється за класифікацією Правил улаштування електроустановок (ПУЕ). Інструкція з проектування і влаштування захисту від блискавки СН 305 - 77 встановлює три категорії пристрою блискавкозахисту (I, II, III) і два типи (А і Б) зон захисту об'єктів від прямих ударів блискавки. Зона захисту типу А забезпечує перехоплення на шляху до захищається не менше 99,5% блискавок, а типу Б - не менше 95%.
За I категорії організується захист об'єктів, віднесених за класифікацією ПУЕ до вибухонебезпечних зон класів В-1 і В-П (див. гл. 20). Зона захисту для всіх об'єктів (незалежно від місця розташування об'єкта на території СРСР і від інтенсивності грозової діяльності в місці розташування) застосовується тільки типу А.
По II категорії здійснюється захист об'єктів, віднесених за класифікацією ПУЕ до вибухонебезпечних зон класів В-1а, В-16 і В-Па. Тип зони захисту при розташуванні об'єктів в місцевостях з середньої грозової діяльністю 10 год і більше на рік визначається за розрахунковим кількості N поразок об'єкта блискавкою протягом року:
при N 1 повинна забезпечуватися зона захисту типу А. Порядок розрахунку величини N показаний у нижченаведеному прикладі. Для зовнішніх технологічних установок і відкритих складів, віднесених за ПУЕ до зон класу В-1г, на всій території СРСР (без розрахунку N) приймається зона захисту типу Б.
За III категорії організується захист об'єктів, віднесених за ПУЕ до пожежонебезпечних зон класів П-1, П-2 і П-2а. При розташуванні об'єктів в місцевостях з середньої грозової діяльністю 20 год і більше на рік і при N> 2 повинна забезпечуватися зона захисту типу А, в інших випадках - типу Б. За III категорії здійснюється також блискавкозахист громадських і житлових будівель, веж, вишок, труб , підприємств, будівель та споруд сільськогосподарського призначення. Тип зони захисту цих об'єктів визначається відповідно до вказівок СН 305-77.
Об'єкти I і II категорій пристрою блискавкозахисту повинні бути захищені від усіх чотирьох видів впливу атмосферної електрики, а об'єкти III категорії - від прямих ударів блискавки і від занесення високих потенціалів всередину будівель і споруд.
Захист від електростатичної індукції полягає у відведенні індукованих статичних зарядів в землю шляхом приєднання металевого обладнання, розташованого всередині і поза будівлями, до спеціального заземлювача або до захисного заземлення електроустановок; опір заземлювача розтіканню струму промислової частоти повинно бути не більше 10 Ом.
Для захисту від електромагнітної індукції між трубопроводами та іншими протяжними металлокоммунікаціямі в місцях їх зближення на відстань 10 см і менше через кожні 20 м встановлюють (приварюють) металеві перемички, за якими наведені струми перетікають з одного контура в інший без освіти електричних розрядів між ними.
Захист від занесення високих потенціалів всередину будівель забезпечується відведенням потенціалів в землю поза будівель шляхом приєднання металлокоммунікаціі на вході у будинки до заземлювачів захисту від електростатичної індукції або до захисних заземлень електроустановок.
Для захисту об'єктів від прямих ударів блискавки споруджуються блискавковідводича води, що приймають на себе струм блискавки і відводять його в землю.
Об'єкти I категорії блискавкозахисту захищають від прямих ударів блискавки окремо стоять стрижневими, тросовими блискавковідводами або блискавковідводами, що встановлюються на об'єкті, що захищається, але електрично ізольованими від нього.
Окремо стоїть стрижневою блискавковідвід (рис. 18.5, а) складається з опори 1 (висотою до 25 м - з дерева, до 5м - з металу або залізобетону), блискавкоприймача 2 (сталевий профіль перерізом не менше 100 мм2), струмовідводу 3 (перерізом не менше 48 мм2) та заземлювача
4. Зона захисту блискавковідводу є обсяг конуса, висота якого дорівнює 0,8 * 5 ім для зони, типу А і 0,92 їм - типу Б (їм - висота блискавковідводу). На рівні землі зона захисту утворює коло радіусом Го, для зони типу А го == (1,1-0,002 / 1м) Ам, для зони типу Б Го == 1,5 / 1м.
У тросового блискавковідводу (рис. 18.5, б) як блискавкоприймача використовується
горизонтальний трос, який закріплюється на двох опорах. Струмовідводи приєднуються до обох кінців троса, прокладаються по опорах і приєднуються кожен до окремого заземлювача.
При установці блискавковідводу на будівлі повинна бути забезпечене безпечну відстань Sв по повітрю між струмовідводом і об'єктом, що захищається, що виключає можливість електророзряду між ними (рис. 18.5, в). Крім того, для попередження заносу високих потенціалів через грунт повинно бути забезпечено безпечну відстань Sз між заземлювачем і металлокоммунікаціямі, що входять у будинок (див. рис. 18.5, а); воно визначається за формулою Sз == 0,5 Rи і повинно бути не менш 3 м; Rн - імпульсна електроопір заземлювача.
Імпульсне електроопір заземлювача для кожного струмовідводу на об'єктах I категорії захисту повинно бути не більше 10 Ом.
Типові конструкції заземлювачів, що задовольняють цій вимозі, наведені в інструкції СН 305-77.
Для захисту від ударів блискавки об'єктів II категорії застосовують окремо стоять або встановлені на об'єкті, не ізольовані від нього стрижневі й тросові громовідводи. Допускається використання в якості блискавкоприймача металевої покрівлі будівлі або блискавкозахисний сітки (з дроту діаметром 6 ... 8 мм і осередками 6Х6 м), яку прикладають до неметалічну покрівлю (рис. 18.5, г).
Як струмовідводів рекомендується використовувати металеві конструкції будівель і споруд, аж до пожежних сходів на будівлях. Імпульсне опір кожного заземлювача повинно бути не більше 10 Ом, для зовнішніх установок - не більше 50 Ом.
Захист об'єктів III категорії від прямих ударів блискавки організується так само, як для об'єктів II категорії, але вимоги до заземлювачів нижче:
імпульсне електроопір кожного заземлювача не повинно перевищувати 20 Ом, а при захисті димових труб, водонапірних і силосних веж, пожежних вишок-50 Ом.