Основи охорони праці - Жидецький В.Ц. - 3.4.12. Захист від атмосферної електрики (блискавки)

Блискавкозахист - це система захисних пристроїв та заходів, що призначені для забезпечення безпеки людей, збереження будівель та споруд, устаткування та матеріалів від можливих вибухів, займань та руйнувань, спричинених блискавкою.

Блискавка - особливий вид проходження електричного струму через величезні повітряні прошарки, джерелом якого є атмосферний заряд, накопичений грозовою хмарою. Умови утворення таких хмар - велика вологість та швидка зміна температури повітря. За таких умов у атмосфері Землі відбуваються складні фізичні процеси, які призводять до утворення та накопичення електричних зарядів. При підвищенні напруженості електричного поля до критичних значень виникає розряд, який супроводжується яскравим свіченням (блискавкою) та звуком (громом). Довжина каналу блискавки може досягати кількох кілометрів, сила струму - 200 000 А, напруга - 150 000 кВ, а температура - 10 000 °С і більше. Тривалість блискавки 0,1-1,0 с. Щосекунди земну кулю вражають у середньому понад 100 блискавок.

Розрізняють первинні (прямий удар) і вторинні прояви блискавки.

Прямий удар блискавки (ураження блискавкою) - безпосередній контакт каналу блискавки з будівлею чи спорудою, що супроводжується протіканням через неї струму блискавки. Прямий удар блискавки чинить на уражений об'єкт наступні дії: електричну, що пов'язана з ураженням людей і тварин електричним струмом та виникненням перенапруг на елементах, за якими струм відводиться в землю; теплову, що зумовлена значним виділенням теплоти на шляху проходження струму блискавки через об'єкт; механічну, що спричинена ударною хвилею, яка поширюється від каналу блискавки, а також електродинамічними силами, що виникають у конструкціях, через які проходить струм блискавки.

Вторинні прояви блискавки пов'язані з наведенням потенціалів на металевих елементах конструкцій, обладнанні, незамкнутих металевих контурах, що спричинено близькими розрядами блискавки. Пожежна небезпека вторинних проявів блискавки обумовлюється виникненням іскріння всередині об'єкта, що може призвести до пожежі чи вибуху.

До вторинних проявів блискавки належать:

- електростатична індукція, яка полягає у наведенні потенціалів на наземних предметах у результаті змін електричного поля грозових об'єктів. Навіть на відстані до 100 м від місця влучення блискавки до будівлі різниця потенціалів між конструкціями (металеві покрівлі, ферми, підкранові шляхи тощо) і землею може досягати десятків кіловольт і здатна викликати іскровий розряд;

- електромагнітна індукція супроводжується появою в просторі змінного магнітного поля, яке індукує в металевих контурах, що утворені з різних протяжних комунікацій (трубопроводів, електропроводів і т. ін.). електрорушійну силу (ЕРС). Якщо у контурах контакти недостатньо надійні в місцях з'єднання, то наведений ЕРС струм може спричиняти іскріння або сильне нагрівання;

- занесення високих потенціалів у будівлю відбувається по металоконструкціях, що підведені в цю будівлю (трубопроводах, рейкових шляхах, естакадах, проводах ліній електропередавання і т. ін.). Вони супроводжуються електричними розрядами, які можуть стати джерелом вибуху чи пожежі. Таке занесення відбувається не лише під час прямого попадання блискавки в металоконструкції, але й у випадках, коли вони знаходяться поруч з ураженими нею місцями.

Захист об'єктів від прямих ударів блискавки забезпечується шляхом облаштування блискавковідводів. Конструкцію блискавковідводу, що не зазнав принципових змін і використовується дотепер, винайшов Бенджамін Франклін у 1749 р. та Михайло Ломоносов у 1758 р.

Захист від електростатичної індукції (вторинний прояв блискавки) здійснюється приєднанням устаткування до заземлювача для відведення електростатичних зарядів, індукованих блискавкою, в землю. Захист від електромагнітної індукції полягає у встановленні методом зварювання перемичок між протяжними металоконструкція ми в місцях їхнього зближення менше ніж на 10 см. Інтервал між перемичками повинен не перевищувати 20 м. Це дає змогу наведеному струму блискавки переходити з одного контуру в інший без утворення електричних розрядів. Захист від занесення високих потенціалів у будівлю здійснюється шляхом приєднання до заземлювача металоконструкцій перед їх введенням у будівлю.

Будівлі та споруди поділяються за рівнем блискавкозахисту на три категорії. Приналежність об'єкта, що підлягає блискавкозахисту, до тієї чи іншої категорії визначається, головним чином, його призначенням та класом вибухопожежонебезпечних зон згідно з Правилами улаштування електроустановок (ПУЕ).

І категорія

Будівлі та споруди або їх частини з вибухонебезпечними зонами класів 0, 1, 20, 21 (відповідно до ДНАОП 0.00-1.32-01). У них зберігаються, чи знаходяться постійно, або використовуються під час виробничого процесу легкозаймисті та горючі речовини, що здатні утворювати газо-, пило-, пароповітряні суміші, для вибуху яких достатньо невеликого електричного розряду (іскри).

II категорія

Будівлі та споруди або їх частини, в яких наявні вибухонебезпечні зони класів 2, 22. Вибухонебезпечні газо-, пило-, пароповітряні суміші в них можуть з'явитися лише у разі аварії чи порушення установленого технологічного процесу. До цієї ж категорії належать зовнішні установки та склади, у яких зберігаються вибухонебезпечні матеріали, легкозаймисті та горючі рідини.

ІІІ категорія

Ціла низка будівель та споруд, зокрема: будівлі та споруди з пожежонебезпечними зонами класів П-І, П-ІІ та П-ІІа; зовнішні технологічні установки, відкриті склади горючих речовин, що належать до зон класів II-III; димові та інші труби підприємств і котельних, башти та вишки різного призначення висотою 15 м і більше.

Об'єкти І та II категорій необхідно захищати як від прямих ударів блискавки, так і від вторинних її проявів. Будівлі та споруди III категорії повинні мати захист від прямих ударів блискавки та занесення високих потенціалів, а зовнішні установки - тільки від прямих ударів.

При виборі пристроїв блискавкозахисту за категоріями враховують важливість об'єкта, його висоту, місце розташування серед сусідніх об'єктів, рельєф місцевості, інтенсивність грозової діяльності. Останній параметр характеризується середньорічною тривалістю гроз у годинах для даної місцевості (табл. 3.9).

Таблиця 3.9. Середня інтенсивність грозової діяльності у різних регіонах (областях) України

Для захисту об'єкта від прямих ударів блискавки застосовують блискавковідвід - пристрій, який височіє над захищуваним об'єктом, сприймає удар блискавки та відводить її струм у землю. Захисна дія блискавковідводу базується на властивості блискавки уражати найбільш високі та добре заземлені металеві конструкції. За конструктивним виконанням блискавковідводи поділяються на стрижневі, тросові та сітчасті (рис. 3.37), а за кількістю та загальною площею захисту - на одинарні, подвійні та багаторазові. Окрім того, розрізняють блискавковідводи, встановлені окремо (див. рис. 3.37, б), та такі, що розташовані на захищуваному об'єкті (див. рис. 3.37, в).

Блискавковідводи мають: блискавкоприймач / (металевий стрижень, трос, сітка), який безпосередньо сприймає удар блискавки; несівну опору 2 (спеціальні

Рис. 3.37. Блискавковідводи: а - стрижневий; б - тросовий; в - сітчастий; 1 - блискавкоприймач; 2 - несівна опора (поверхня); 3 - струмовідвід; 4 - заземлювач

стовпи, елементи конструкцій будівлі), на якій розташовується блискавкоприймач; струмовідвід 3, по якому струм блискавки передається в землю; заземлювач 4, який забезпечує розтікання струму блискавки в землі.

Блискавковідвід характеризується зоною захисту - частиною простору, навколо блискавковідводу, яка захищена від прямих ударів блискавки з відповідним ступенем надійності. За величиною ступеня надійності зони захисту можуть бути двох типів: зона А - ступінь надійності не менше 99,5 %; зона Б - не менше 95 %. Тип зони захисту блискавковідводу залежить від очікуваної кількості уражень блискавкою будівель та споруд без блискавкозахисту за рік, яка визначається за формулою

де 5'. Ь - відповідно ширина та довжина будівлі, м; Л - найбільша висота будівлі, м; л - середньорічна кількість ударів блискавки в 1 кмг поверхні землі в даному географічному місці (табл. 3.10).

Якщо N > 1, то для будівель та споруд, що належать до II категорії за рівнем блискавкозахисту, приймається зона захисту А, а при N £ 1 - зона захисту Б.

Для одинарного стрижневого блискавковідводу висотою Л £ 150 м зона захисту являє собою конус (рис. 3.38, а) з вершиною на висоті п0 < л. На рівні

Таблиця 3.10. Середньорічна кількість ударів блискавки в 1 км поверхні землі залежно від інтенсивності грозової діяльності

землі зона захисту утворює коло радіусом г0, а горизонтальний переріз зони на висоті пх утворює коло радіусом гх. Співвідношення розмірів зони захисту типу А та типу Б наведені в табл. 3.11 (РД 34.21.122-87).

Рис. 8.38. Зони захисту блискавковідводів: а - одинарного стрижневого; б - одинарного тросового; 1 - межа зони захисту на рівні землі; 2 - межа зони захисту на рівні h

Таблиця 3.11. Формули для визначення розмірів зони захисту типу А та типу Б одинарного стрижневого блискавковідводу

Якщо відома висота Нж будівлі, що підлягає захисту, та радіус гх на цій висоті, то для зони захисту Б повна висота блискавкоприймача становитиме

Зона захисту для одинарного тросового блискавковідводу наведена на рис. 3.38, б, а співвідношення розмірів зони захисту типу А та типу Б при Л < 150 м - у табл. 3.12.

Таблиця 3.12. Формули для визначення розмірів зони захисту типу А та типу Б одинарного тросового блискавковідводу

Якщо відома висота Лх будівлі, що підлягає захисту, та радіус г на цій висоті, то для зони захисту Б висота тросу в точці найбільшого провисання становитиме