ООО "Амнис"
111141, г.Москва, Перова поля 1-й проезд, дом 8
+7 (495) 133-95-60 Городской телефон Профессиональный подход!
+7 (495) 306-86-61 Качественный результат!
+7 (906) 709-15-40 MobileWhatsapp
Заказать звонок Задать вопрос
E-mail: info@amnis.ru E-mail Остерегайтесь подделок

НАШИ ТЕЛЕФОНЫ
Телефон +7 (495) 133-95-60
+7 (495) 306-86-61
WhatsApp_ViberMobile +7 (906) 709-15-40
Заказать звонок
Новости компании
Мы вконтакте
Лицензии ООО "Амнис"
Лицензии компании Амнис

Базовые знания о молниезащите. Молниеотвод как основная защита от молний.

Базовые знания о молниезащите.

Содержание, 1 часть:

1.Какое напряжение действует между облаком и землей?
2. Заряд грозового облака и молнии
3. Энергия молнии
4. Ток молнии
5. Полярность молнии
6. Многокомпонентные молнии
7. Временные параметры импульса тока молнии
8. Частота грозовых разрядов
9. Число ударов молнии в наземные сооружения
10. Удары молнии в высотные сооружения
11. Термическое воздействие молнии
12. Электрогидравлический эффект
13. Механическое воздействие тока молнии
14. Поражения молнией людей и животных

Эти короткие статьи для тех, кто знаком, по крайней мере со школьным курсом физики, работает в технике или строительстве, но никогда не встречался раньше с проблемой защиты от молнии. Наш читатель должен понимать, что познакомившись с этими страничками, он не спроектирует молниезащиту и не избежит обращения к специалистам, но сумеет сформулировать им свою задачу и отличит предложения действительно важных технических мероприятий от глубокомысленных заумствований, нацеленных на увеличение объема работ и выкачивание денег.
Приведенные численные оценки сознательно до предела упрощены. Четыре действия арифметики – это все, что в них используется. В любом случае итогом и целью оценки подразумевалось не строгое число, а понимание сути физического явления и его значимости для молниезащиты.
Мы рады увидеть Ваши вопросы и замечания. Они не останутся без внимания и будут использованы для дальнейшей корректировки текста. Надеемся, что ликбез, который затеян на этом сайте, в конце концов будет почти одинаково полезен и читателям, и составителям.

1. Какое напряжение действует между облаком и землей? (к содержанию)

Этот вопрос задается специалистам едва ли не чаще других. Ответ вроде бы прост. Всем известно, что молния – гигантский электрический разряд в электрическом поле грозового облака. Продвигаясь к земле, канал молнии создает из непроводящего воздуха высоко проводящую плазму. Это происходит благодаря ионизации. При нормальных атмосферных условиях для ионизации воздуха требуется электрическое поле около 30000 В/см, или 3000 кВ/м. Казалось бы, чтобы найти напряжение, достаточно умножить эту цифру на среднюю длину канала молнии между облаком и землей – 3000 м в наших умеренных широтах. Получаем нечто несоразмерное – 9000000 кВ или, что тоже самое - 9 миллиардов вольт.
В реальности молнии нужно примерно в 100 раз меньше. Причина в том, что ее канал создается не одновременно по всей длине от облака до земли, а последовательно. Область сильного поля существует только на головке канала, а в уже созданной плазме за головкой оно несопоставимо слабее. По мере удлинения канала область сильного поля перемещается от облака к земле. Хорошей аналогией может послужить экскаватор, копающий дренажную канаву. Земной слой нарушается только в месте размещения ковша. Тем не менее, по всей трассе движения машины остается готовый канал. Он может протянуться хоть на десятки километров, если конечно грунт закреплен и не осыпается.
С зоной ионизации молнии картина аналогичная. Она продвигается от облака к поверхности земли очень быстро, со скоростью (2 – 3)´105 м/с, затрачивая на весь путь 10 – 15 мс. Но в масштабе ионизационных процессов миллисекунда – не малое время. Плазменный канал за головкой должен обязательно сохранять свою изначально высокую проводимость в течение всего времени развития. Для этого воздух в канале должен быть разогрет, как минимум, до 5000 – 60000. Поэтому холодных молний не бывает.
100 миллионов вольт – типичное напряжение, которое доставляет к земле канал молнии.

2. Заряд грозового облака и молнии (к содержанию)
Ответ на вопрос о заряде Q дает знание электрического потенциала U. Они связаны между собой через электрическую емкость C, Q = CU. В нашем случае, речь должна идти о емкости грозового облака и канала молнии. Исследования показали, что облако заряжено неоднородно. В его объеме явно выделяются отдельные области с большим электрическим зарядом. Их называют грозовыми ячейками. Характерный радиус грозовой ячейки – 1 км. При известном радиусе r электрическая емкость ячейки примерно равна С » 4pe0r. Здесь e0 = (36p´109)-1 Ф/м - диэлектрическая проницаемость вакуума. Приближенную оценку можно сделать и проще, запомнив, что емкость тела в пикофарадах близка к его радиусу в сантиметрах. Значит, емкость грозовой ячейки радиусом 1 км (105 см) оценивается как 105 пФ или 0,1 мкФ. Умножением на 100 МВ получаем 10 Кл – вполне достоверная оценка для минимального заряда ячейки грозового облака.
Ячейки могут быть различного радиуса (вплоть до десятков километров) и нести потенциал, заметно превышающий 100 МВ. Поэтому заряд в 100 Кл тоже вполне реален.
Сам канал молнии, как любой проводник малого радиуса, имеет емкость около 10 пикофарад на метр длины. При длине 3000 м это дает примерно 0,03 мкФ для молнии в целом. Заряженная до потенциала 100 МВ молния опускает к земле заряд Q = CU = 0,03 ·10-6´108 = 3 Кл. И снова полученная цифра хорошо отвечает реальности.

3. Энергия молнии (к содержанию)

Этот раздел не доставит удовольствия любителям ненаучной фантастики, которым по душе идея использовать молнию как средство дармовой электроэнергии. Энергии совсем немного. Ее величину дает произведение потенциала на заряд молнии, W = UQ » 108´3 = 3·108 Дж = 3·105 кДж. Современной квартире с нагрузкой 2 кВтч такого хватит примерно на 40 часов.
Остается напомнить, что вся эта энергия не доставляется молнией на землю, а более или менее равномерно распределена вдоль канала длиной в несколько километров.
Как источник энергии молния бесполезна.
«Только ломать - не делать, для крупных неприятностей энергии у молнии вполне достаточно.»

4. Ток молнии (к содержанию)

Когда канал молнии касается земли или наземного сооружения, он приобретает их нулевой потенциал. Для этого заряд канала должен стечь в землю. Быстрый процесс нейтрализации заряда называют главной стадией молнии.
Даже при идеальной проводимости канал не может потерять свой заряд мгновенно. По каналу распространяется волновой процесс, который характеризуется волновым сопротивлением Z. Параметр такого рода есть у любого длинного проводника, например, у телевизионного кабеля. Там волновое сопротивление равно 75 Ом. У канала молнии величина Z примерно в 7 –10 раз больше, около 500 Ом. Грубую оценку тока молнии дает закон Ома IM = U/Z » 108/500 = 200 000 А.
У предельно сильных молний ток именно таков. Для многих других он заметно слабее из-за ограниченной проводимости плазменного канала и частичной потери напряжения каналом при движении от облака к земле. Прямые измерения показывают, что с вероятностью 50% ток молнии не меньше 30 кА, у 5% молний (сильные молнии) он превосходит 80 кА и у тех же 5% (слабые молнии) меньше 15 кА. Молний с током 100 кА фиксируется меньше 2%, а молнии с током 200 кА настолько редки, что их вероятность оценивается только очень приблизительно. Скорее – всего, она на уровне 0,1%.

5. Полярность молнии (к содержанию)

Она определяется тем зарядом, который молния доставляет к земле. Для умеренных широт, в т.ч. и практически для всей территории России, примерно 90% молний отрицательные. Цифры, представленные в предыдущем разделе, характеризуют именно их токи. Остальные 10% молний средней полосы положительные. Сегодня не вполне понятно, почему они более мощные. С вероятностью не менее 5% их ток превосходит 250 кА. Средний ток положительных молний отличается не столь сильно. Вероятности 50% здесь отвечает ток 35 кА, тогда как для отрицательных молний эта величина равна 30 кА.

6. Многокомпонентные молнии (к содержанию)

Канал молнии часто кажется мерцающим. Это не дефект зрения, а вполне объективный эффект. Часто по одному и тому же следу идет несколько разрядов с интервалами вплоть до 0,1 с. Столь большие паузы уже различаются глазом. Молнии с несколькими последовательными разрядами называют многокомпонентными. У отрицательных молний в среднем 3 – 4 компонента. У положительных молний последующих компонентов нет.
Последующие компоненты наблюдают примерно у 65% молний. Ток последующих компонентов в среднем примерно в 2 раза меньше, чем у первого, параметры которого приведены в разделе 4.

7. Временные параметры импульса тока молнии (к содержанию)

Скорость роста импульса тока молнии очень важный параметр. Он определяет ЭДС магнитной индукции в электрических цепях пораженного молнией сооружения. Не менее важна и длительность импульса тока молнии. С ней связаны термические и электромеханические воздействия. Средняя длительность фронта первого компонента отрицательной молнии близка к 5 мкс, а средняя длительность импульса (по уровню 0,5) составляет около 75 мкс. У последующих компонентов импульс тока примерно вдвое короче, зато он может нарастать очень быстро, в среднем - менее чем за 1 мкс, а иногда на порядок быстрее.
Наибольший по длительности ток имеют положительные молнии, вплоть до 1000 - 2000 мкс. Их же отличают наиболее пологие фронты – до 100 мкс.

8. Частота грозовых разрядов (к содержанию)

Этот параметр наиболее значим для практической молниезащиты. В нормативные документах всех стран включены карты интенсивности грозовой деятельности. По ним можно определить среднее за год числа ударов молнии в единицу поверхности земли для данного региона. Жаль только, что на таких картах трудно различить детали. В лучшем случае можно оценивать область страны в среднем. В заполярных регионах России грозовая деятельность во внимание не принимается. На основной части территории наблюдается 2 – 4 удара молнии в год на 1 км2 поверхности земли. В наиболее грозоносных районах Кавказа удельное число ударов приближается к 10.
Многие развитые страны охвачены системой дистанционной пеленгации грозовых разрядов, которая работает в режиме on line. Такая система предоставляет коммерческие услуги, в частности, можно заказать выборки по частоте поражения конкретного участка поверхности земли за нужный срок наблюдения. Погрешность привязки мест удара молнии не превышает 200 – 500 м. Территория России не входит полностью в сферу наблюдения подобных систем.

9. Число ударов молнии в наземные сооружения (к содержанию)

По опыту эксплуатации чем выше сооружение, тем больше молний оно на себя собирает. Последнее слово поставлено не случайно. Возвышающиеся объекты действительно стягивают на себя молнии. Это происходит следующим образом. Электрический заряд приближающейся к земле молнии усиливает электрическое поле у поверхности земли и у вершины наземного сооружения. Если молния удалена в радиальном направлении не слишком далеко, усиленное поле оказывается достаточным не только для ионизации воздуха у вершины сооружения, но и для развития от нее плазменного канала. Это так называемый встречный лидер. Он движется навстречу каналу молнии. Встреча каналов завершает процесс.
Чем выше объект, тем сильнее электрическое поле у его вершины, тем раньше стартует встречный лидер и тем эффективнее продвигается он навстречу молнии. Значит, встреча каналов может произойти на большем расстоянии от объекта. Вот почему высота объекта непосредственно определяет радиус стягивания молний. Для оценочных расчетов из опыта эксплуатации принимается, что радиус стягивания Rмол приблизительно равен утроенной высоте объекта.

Используя радиус стягивания, легко оценить ожидаемое число ударов молнии в объект высотой h. В плане очертите внешний периметр объекта линией, отстоящей от него на Rмол = 3h. Линия ограничит площадь стягивания молний. Вычислите ее (можно весьма приближенно) любым доступным способом и, соблюдая размерность, умножьте на удельное число ударов молнии для данного региона. Получите среднее ожидаемое число прямых ударов молнии за год эксплуатации. Пусть, например, речь идет о вышке высотой h = 100 м. Тогда площадь стягивания ограничена окружностью радиусом Rмол = 3h = 300 м и занимает площадь Sмол = pRмол2 = 282600 м2 » 0,282 км2. Для района, где плотность ударов молнии равна nмол = 2 удара на км2 в год, нужно ожидать N = nмолSмол » 0,56 ударов молнии за год, т.е. немного чаще, чем 1 удар за каждые 2 года эксплуатации.
Еще пример. Индивидуальный жилой дом 6 х 10 м2 и высотой h = 6 м. Если не обращать внимания на скругления в углах, площадь стягивания с некоторым завышением можно оценить в 42х46 = 1932 м2 » 0,02 км2. При той же плотности ударов молнии nмол = 2 удара на км2 в год это дает 0,04 удара молнии в год или 1 удар за 25 лет эксплуатации здания.
Расчет по площади стягивания дает хорошие результаты для открытой плоской местности. В районе сплошной застройки, например в городе, реальное число ударов может быть заметно меньше оцененного, поскольку близко расположенные здания взаимно экранируют друг друга (их площади стягивания перекрываются). Напротив, в холмистой или горной местности, когда к истинной высоте здания добавляется высота земной неровности, реальное число ударов может превысить расчетное. В таких условиях нужно обращаться к специалистам и пользоваться расчетными программами.

10. Удары молнии в высотные сооружения (к содержанию)

В названии спрятана серьезная ошибка. Сооружения высотой более 200 м в равнинной местности не столько принимают на себя удары молнии, сколько посылают их в грозовое облако. Это так называемые восходящие молнии. В отличие от обычных, нисходящих, они стартуют от вершины высотного объекта и движутся в направлении грозового облака. Движущей силой снова является электрическое поле атмосферы. В грозовой обстановке его напряженность у поверхности земли лежит в пределах 20 кВ/м. Скажем, вдоль Останкинской телебашни на длине 500 м набирается 20х500 = 10 000 кВ = 10 МВ. Это поле вытесняется из металла башни к ее вершине, где и возбуждается восходящая молния. Исследования показали, что в качестве запала здесь выступают не очень далекие обычные нисходящие молнии. Сами по себе они не попадают в высотное сооружение, но способствуют старту восходящего разряда. Поэтому методику счета числа ударов молний можно не менять и снова воспользоваться понятием площади стягивания. В конце концов безразлично, ударит ли в объект сама нисходящая молния или его поразит спровоцированная ею восходящая. Результат расчета получается вполне достоверным. Например, Останкинская телебашня высотой h = 540 м имеет радиус стягивания Rмол = 3h = 1,62 км, который ограничивает площадь стягивания Sмол = pRмол2 = 8,2 км2. При удельной плотности грозовых разрядов в Москве nмол = 3 это дает около 25 ударов молнии в год, что очень близко к результатам многолетних наблюдений (в совокупности 27 – 28 молний за год, из которых только около 10% “настоящие” нисходящие).

11. Термическое воздействие молнии (к содержанию)
Температура в канале молнии может подниматься до 30000 К. Отсюда ее способность поджигать и прожигать.
Молния - достаточно специфический поджигатель, потому что продукты горения уносит прочь сильная ударная волна. Тем не менее, пожар от молнии возможен. У многокомпонентных молний между компонентами и после последнего из них в течение десятых долей секунды по каналу проходит ток в 100 – 200 А. Такой слабый ток ударной волны не создает, но температура в канале удерживается им в пределах 6000 – 7000 К. По поджигающей способности это сопоставимо с дугой сварочного аппарата.
Гигантский масштаб молнии нацеливает увидеть какие-то совершенно циклопические повреждения из-за проплавлений и прожогов металлический поверхностей. На деле они более чем скромные. Когда с вершины телебашни в Москве сняли несколько лет простоявший там металлический наконечник флагштока, на нем увидели следы расплавленного металла, каждый диаметром не больше сантиметра.

Энергия, выделяемая из всего канала молнии, бесцельно греет воздух, а металл нагревается только тем, что испускается в месте контакта плазмы с металлической поверхностью. Как правило, “полезно” расходуется не более 2000 Дж. Испытания показали, что металлическая стенка толщиной 4 мм и более ни при каких обстоятельствах не может быть прожжена молнией. Поэтому правила устройства молниезащиты во всех странах разрешают не устанавливать молниеотводов у объектов с металлической оболочкой такой толщины.
Кровельное железо или металлическое покрытие из металлочерепицы молния может прожечь. В расплав уходит примерно 2 г металла, а характерный радиус отверстия в большинстве случаев не превышает 1 см. Внутрь образовавшейся дыры канал молнии не проникает.
Большую неприятность составляют переходные контакты в местах соединения токопроводов, по которым проходит ток молнии. Ток молнии величиной IM при усредненной длительности импульса Dt выделяет в сопротивлении контакта Rкон энергию
Wкон = RконIM2Dt. Для мощной молнии с током 100 кА при Dt = 100 мкс в контакте с Rкон = 0,01 Ом (очень качественное соединение) выделяется 10 кДж. Этого достаточно для нагрева проводника массой 0,1 кг на 2100. Остается заметить, что из-за малой длительности действия тока молнии от контакта практически не отводится тепло.
При необходимости контакты все-таки используют, но делать их надо с максимальной тщательностью. Площадь контакта должна быть большой, а нажимное усилие предельно сильным. Тогда переходное сопротивление контакта окажется низким, а выделившееся тепло распределится по большой массе металла и не поднимет температуру до опасной черты.

12. Электрогидравлический эффект (к содержанию)
На лесных опушках или полянах можно встретить странно поврежденные деревья. Впечатление такое, как будто гигантский зверь широкой когтистой лапой вырвал полосу коры шириной в несколько сантиметров от макушки почти до корня. Так работала молния. Живая древесина наполнена влагой и способна проводить электрический ток. Наибольшая часть тока идет по внешней части ствола, примыкающей к коре. Выделяющаяся там энергия бурно испаряет влагу. Почти мгновенно образованный пар резко повышает давление и рвет кору.
Подобное явление свойственно многим газогенерирующим материалам, которые широко используются в технике. Например, разрушение подземных кабелей часто связано с испарением их пластиковой оболочки или битумной пропитки. Не меньше эффект и от испарения материалов, содержащих эпоксидный компаунд. Композиционные и сотовые стеклопластиковые материалы также страдают от электрогидравлического воздействия. Ударная волна возникает и в воздухе. Ее рождает очень быстрое расширение плазменного канала с сильным током (отсюда и гром). Резкий перепад давления происходит в любой полости, в том числе и в двигателе самолета. Когда молния совсем рядом, ударная волна может сорвать пламя и остановить реактивный двигатель. Такое явление в авиации известно как помпаж двигателя. К счастью, это происходит редко, а у пассажирского авиалайнера с несколькими двигателями - совсем редко. К тому же, остановившийся двигатель можно запустить прямо в воздухе.

13. Механическое воздействие тока молнии (к содержанию)
Непосредственное механическое воздействие тока молнии редко приводит к серьезным разрушениям. Протекая по полой трубке, ток молнии может сжать ее, изменить угол наклона проводников, деформировать антенну и т.п. Обычно речь идет о каких-то относительно слабых технологических элементах на внешних обстройках объекта. Повредить конструкции, ответственные за механическую прочность здания, молнии не под силу. Меры защиты от механических воздействий обычно применяют лишь в том случае, когда поврежденная деталь является датчиком какой-либо измерительной системы и потому сохранение ее геометрии важно для обеспечения требуемой аппаратурной погрешности.

14. Поражения молнией людей и животных (к содержанию)
Ток в 0,1 А, проходящий через тело человека в течение 1 с, безусловно смертелен. Ток молнии на 4 – 5 порядков больше. И хотя время его воздействия измеряется десятками микросекунд, у человека мало шансов уцелеть при прямом ударе молнии. К счастью, прямой удар – очень редкое событие. Человек ростом в 2 м на открытой местности стягивает на себя молнии с площади, ограниченной радиусом всего в 6 м. Площадь стягивания при этом близка к 100 м2. При удельной плотности молний, равной 3 ударам в год на квадратный километр, нужно рассчитывать примерно на 0,0003 молний в год, что эквивалентно одному удару за 3300 лет жизни. Если прямые удары молнии в человека все-таки случаются, то это из-за чрезвычайно большой численности населения Земли.
Намного вероятнее непрямое воздействие молнии. Какое бы сооружение она не поразила, ее ток в конечном итоге попадет в грунт и растекается там. Дальше все зависит от удельного сопротивления грунта r. Оно варьирует в очень широких пределах. У пресной воды r = 20 – 40 Ом м, у чернозема r » 100 Ом м, у влажных песков и суглинков 200 – 400 Ом м, у горных пород 1000 – 10000 Ом м (а иногда и много больше). Сопротивление и ток определяют электрическое поле в грунте. Его напряженность равна E = rJ, а плотность тока J может быть оценена из предположения, что ток молнии Iмол растекается от точки удара симметрично в полусферическом объеме. На расстоянии r плотность тока будет равна
,
а напряженность соответственно

На длине шага Dd поле создает шаговое напряжение
,
которое воздействует на человека. Если, например, Iмол = 100 кА, то в грунте умеренной проводимости (r = 200 Ом м) на расстоянии 20 м от точки удара на длине шага 0,7 м набирается примерно 5500 В, что никак нельзя считать безопасным.
Вот почему не рекомендуется находиться в грозу у высоких деревьев, особенно отдельно стоящих или на опушке леса. Высота дерева в 10 раз больше, чем человека, и поэтому молния ударяет в него в 100 раз чаще. Растекание тока по корневой системе и дальше по земле становятся причиной опасных шаговых напряжений.
Поскольку действующее напряжение пропорционально длине шага, а вернее, расстоянию между точками контакта тела с грунтом, опаснее сидеть или лежать в грозу, чем стоять со сжатыми ногами (по стойке смирно). По той же причине шаговые напряжения опаснее для крупных четвероногих, чем для человека.
Молния может воздействовать на человека и своим электромагнитном полем. Об этом можно прочитать в соответствующем разделе ниже.

Ваш отзыв очень важен для нас! Пожалуйста, оцените данную статью.
Эти короткие статьи для тех, кто знаком, по крайней мере со школьным курсом физики, работает в технике или строительстве, но никогда не встречался раньше с проблемой защиты от молнии. Наш читатель должен понимать, что познакомившись с этими страничками, он не спроектирует молниезащиту и не избежит обращения к специалистам, но сумеет сформулировать им свою задачу и отличит предложения действительно... " data-yashareImage="" data-yashareL10n="ru" data-yashareQuickServices="yaru,vkontakte,facebook,twitter,odnoklassniki,moimir,gplus" data-yashareTheme="counter">

Возврат к списку