Блискавкозахист: що нового?

25 Грудня 2015
Захист від блискавки — що нового?

Від блискавки можна заздалегідь сховатися. Слід знати, що найбільш небезпечний для життя саме перший розряд — дощ ще не полився, і люди метушаться, нашвидку закінчуючи роботу або розваги. На відкритому місці ховайтеся подалі від високих дерев, стовпів і щогл. У техніці цей прийом отримав назву «безпечна відстань» — від тих елементів, якими може протікати струм блискавки. Краще грозу перечекати в машині або в будинку. Вже не одне століття споруди обладнуються зовнішнім захистом від блискавки, який зазвичай складається з блискавкоприймачів, опусків, заземлювачів і екранів. В останні десятиліття людство винайшло ще кілька способів уникнути Божої кари.

Серед них:

  • Критичний метод. У грозову хмару запускається ракета, яка тягне за собою заземлений провід. Ініціюється грозовий розряд на безпечній відстані від об'єкта. В цей спосіб американці захищають космодром на мисі Канаверал перед запуском «човників», а вчені забезпечують «поставку» блискавок у певне місце для проведення детальних досліджень.
  • Лазерний метод. У хмару спрямовують промінь лазера, корпус якого заземлений. Внаслідок іонізації повітря відбувається розряд «хмара-лазер». Такий захист захищає Форт Нокс, де міститься золотий запас США. Ця технологія ще тільки розвивається, довжина штучного каналу розряду досить обмежена.
  • Нейтралізація зарядів. Навколо об'єкта встановлюються щогли з системою багатьох загострених електродів, які приєднані до заземлювачів (традиційний же блискавкоприймач має один або кілька загострених або заокруглених верхівок). Наближення грозової хмари призводить до інтенсивного стоку з електродів зарядів протилежної полярності — електричного вітру. Об'єкт обволікається своєрідним електростатичним екраном. Ніякого тобі грому, блискавки (і електромагнітних імпульсів). Цей спосіб ще не отримав загального підтвердження і сприйняття науково-технічним співтовариством.
  • Активні блискавкоприймачі Покликані полегшувати ініціювання зустрічного розряду саме з блискавкоприймача, для чого мають іонізуюче пристрій (радіоактивний препарат або іскровий проміжок). Ефективність цих молниеприемников продовжує дискутуватися науковою громадськістю. Слід мати на увазі, що наведені і деякі інші нові способи захисту ще майже не знайшли свого відображення в нормативних документах різних країн.

Розряди блискавки породжують електромагнітні імпульси, які на значних відстанях (десь до 2000 м) від місця удару негативно впливають на роботу багатьох електричних та електронних пристроїв і систем, від яких ми все більше залежимо. У зв'язку з дією струмів і електромагнітних полів блискавки на спорудження, комунікації і різноманітні пристрої виникає потреба у внутрішньому блискавкозахисті і дотриманні вимог електромагнітної сумісності. Тут застосовуються такі прийоми як: зрівнювання (вирівнювання) потенціалів, захист від великих струмів і обмеження перенапруг, екранування, безпечна відстань.

Зрівнювання потенціалів полягає в приєднанні всіх струмопровідних частин споруди і комунікацій, які не перебувають під напругою, до шини зрівнювання потенціалів у одній точці. У Європі ці вимоги діють з 70-х років, Росія прийняла таку норму 6 років тому, Україна — з 1 січня 2002 року. Практичне застосування нового ГОСТ 30331.1-95 монтажними організаціями породжує багато запитань, зокрема через відсутність методичної літератури.

Характеристики розрядів блискавки

Для правильного проектування блискавкозахисту і застосування нормативних документів важливо мати достатні відомості про характеристиках блискавок. Негативні блискавки типу хмара-земля складають 90% всіх розрядів між хмарами і землею, тому далі в основному мова піде про захист саме від них. Інші категорії розрядів — блискавки негативні (земля-хмара) з високих об'єктів, позитивні (хмара-земля і земля-хмара) і в хмарах. На щастя, переважна більшість розрядів блискавок відбувається в хмарах або між хмарами. Позитивна блискавка є більш небезпечною через великі струми. Вона отримала назву «червоної» через специфічне забарвлення; до того ж, саме до неї відноситься термін «грім серед ясного неба», тому що часто вона виходить з боку верхньої частині грозової хмари, має велику довжину і вражає землю в зоні, де дощу ще немає.

Карта середньої тривалості гроз на рік в годинах для території України
Карта середньої тривалості гроз на рік в годинах для території України

Про створення величезних грозових зарядів існує багато теорій. Лабораторні дослідження і спостереження за допомогою радарів і літаків показали, що формування електричного поля в хмарі тісно пов'язане з присутністю кристалів льоду і переохолоджених крапель. Градинки набувають негативний заряд, а кристалики льоду — позитивний. Центральна частина майбутнього грозової хмари характеризується потужними висхідними потоками повітря, які несуть за собою до висоти у 15 км легкі кристалики льоду, тоді як більш важкі градинки потрапляють у центральну частину хмари. Процеси такого роду багато в чому сприяють формуванню у хмарі ділянок, що містять протилежні заряди. За законами електростатики, на поверхні землі (і всіх предметах, які на ній знаходяться) виникає заряд, знак якого (найчастіше — позитивний) протилежно знака заряду нижній частині хмари. Наші босоногі предки вміли добре відчувати зміни електростатичного поля. Можливо, недарма відомий конструктор авіадвигунів і довгожитель академік Микулін приєднував себе до заземлення і на роботі і під час сну.

Напруженість електричного поля між землею і хмарою, яка необхідна для ініціювання блискавки, залежить від ізоляційних властивостей повітря і складає від 0,5 до 10 кВ / см. Далі події розгортаються в такий спосіб. Порції негативних зарядів просуваються «кроками» довжиною у близько 50 м з тривалістю пауз в середньому по 50 мкс. Це і є причиною «ламаною» форми каналу розряду блискавки - вона змінює свій напрямок кожні 50 м і вже поблизу землі «вирішує», який саме об'єкт вразити. Завдяки розвитку цього первинного (зазвичай сильно розгалуженого) каналу так званого лідера відбувається попереднє розрядження хмари; центральна його частина — канал, який має діаметр близько 5 см і досить високу провідність. Струм лідера може сягати кілька сотень Ампер. Коли лідер наближається до землі, назустріч розвивається так званий зустрічний розряд, що призводить до початку головного розряду (зворотного удару), під час якого нейтралізується заряд лідера. Струм зворотного удару становить кілька десятків і навіть сотень кілоампер. Саме імпульси зворотного удару людське око сприймає як окремі яскраві спалахи блискавки. Температура каналу при цьому становить від 20 000 до 30 000°С, що підтримує протягом деякого часу і після імпульсу зворотного удару термічну іонізацію в повітрі і сприяє появі вторинних ударів траєкторії першого каналу. Вибуховий розвиток каналу сприймається як грім.

Детальну інформацію про блискавки надають сучасні системи локації. Відомо, що імпульсне електромагнітне поле, породжене блискавкою, поширюється від місця розряду зі швидкістю світла. Станції вимірювання, які реєструють цей імпульс, пов'язані високоточною системою єдиного часу на базі глобальної системи позиціонування. За результатами централізованої обробки визначають час, місце удару з точністю до 500 м, кількість ударів, амплітуди струмів і полярність розряду. Наприклад, для Німеччини складаються карти грозової активності по зонам розміром 50x50 км з такими градаціями питомої щільності розрядів типу земля-хмара і хмара-земля: 9-13; 7-9; 4-7; 3-4; 2-3; 1-2 і 1 ударів / кв. км на рік. Крім створення баз даних, виявлення небезпечних регіонів і вирішення страхових випадків, ці системи дозволяють заздалегідь попередити про наближення грози. Важливі установи тимчасово переходять на електроживлення від власних джерел, перериваються ремонтні роботи на високовольтних лініях електропередач, призупиняються роботи на будівництвах і гірських виробництвах тощо.

Україна ще не має розвиненої системи локації блискавок. Навіть у тих країнах, де і є такі системи, інформацію про кількість розрядів блискавок, амплітуду і полярність їх струму на окремих об'єктах додатково отримують і більш простими засобами. Зокрема, в практиці блискавкозахисту з метою реєстрації кількості розрядів використовують спеціальні лічильники, а для визначення максимального струму блискавок, які вразили якесь спорудження, магнітні картки стандартного розміру. Наприклад, чутлива до магнітного поля картка (ре Сuггеnt. Sensor, РСS) виглядає так само, як магнітні банківські карти або проїзні квитки київського метрополітену, але здатна «запам'ятовувати» максимальне значення струму. Картки в пластикових касетах зазвичай встановлюють на струмовідводи системи блискавкозахисту. Періодично або в разі аналізу нештатних ситуацій здійснюють зчитування даних спеціальним приладом. Сервісне обслуговування таких карт може здійснюватися з пересилкою їх поштою.

Найчастіше зустрічаються блискавки зі струмом 20 - 30 кА. Найбільше гроз гримить протягом літніх місяців, а з жовтня по березень їх практично немає. Слід розуміти, що інтенсивність гроз залежить від часу доби і сезону і змінюється з року в рік. Як уже згадувалося, розряд блискавки зазвичай складається з декількох ударів (імпульсів) — у середньому 2-3 (а в деяких розрядах спостерігалося і 45!). Відносно новим є введення випробувань окремих видів обладнання імпульсом струму з параметрами 10/350 мкс. Таким однократним імпульсом моделюють еквівалентну енергетичну дію блискавки від усіх ударів у розряді. Часто небезпечно діє ще і безперервний струм, що протікає між хмарою і землею протягом розряду блискавки.

Результати спостережень за грозовий діяльністю

Результати спостережень за грозовий діяльністю, як правило, представляються у вигляді наступних характеристик:

  • грозові години (Тh);
  • щільність розрядів блискавок на 1 кв. км земної поверхні протягом року (Nq);
  • інтенсивність грози.

Грозочаси в Україні становлять:

  • 40-60 у Криму;
  • 60-80 у центрі, на півночі і півдні;
  • 80-100 на сході і заході;
  • понад 100 в окремих регіонах Карпат і так званих зонах місцевих гроз (промислові райони, Київ та ін.).

Орієнтовно зв'язок між грозочасамі Тh і щільністю розрядів Nq (розряди в землю) для умов України може бути встановлено виходячи з припущення, що на кожен грозовий день доводиться від 1,5 до 2,0 грозогодин. Зауважимо, що високе значення, яке фігурує при визначенні класу блискавкозахисту згідно з німецьким стандартом DIN V ЕNV 61024-1, становить лише Nq = 4,5 ударів / кв. км на рік. В Україні інтенсивність гроз не є меншою, а в окремих регіонах є й помітно більше, ніж у країнах Центральної і Північної Європи, де питанням блискавкозахисту приділяють значно більше уваги, ніж у нас.

Блискавкозахист - сучасний стан і потреби

Серед сучасних тенденцій розвитку технологій у різних галузях можна назвати розширення застосування електронних пристроїв і їх мініатюризацію. Останнє робить цю техніку все більш вразливою до дії електромагнітних імпульсів. З іншого боку, стрімке поширення електроніки збільшує ймовірність її поразки. Утворюються своєрідні «ножиці», якщо не вживати заходів обережності. Перш за все, слід передбачати створення належних «електромагнітних умов» для сучасної електроніки в споруджуваних або реконструйованих будинках. У нас вже увійшли в норму «євроремонт», броньовані двері, системи кондиціонування, фільтри на водопроводі тощо. Про електроніку ж часто забувають, наївно вважаючи, що з розетки, до якої її приєднають, потече «кришталево чисті» 50 Гц. А чутлива електроніка розрахована на використання саме з захищеними мережами харчування, зв'язку і т.п. У висотних будинків, для яких слід очікувати 3-4 прямих уражень блискавки протягом одного року, до того ж можливі так звані бічні удари, коли точка контакту споруди з каналом блискавки знаходиться на 20-30% нижче верхньої позначки.

Підбираючи цінну апаратуру для новітніх систем зв'язку, автоматику, комп'ютерну та мікропроцесорну техніку, слід брати до уваги ступінь їх стійкості до електричних імпульсів. За міжнародними нормами налічується 4 категорії пристроїв за рівнем перенапруг, які вони повинні витримувати 1500 В в I і 6000 В в IV. Виконання вимог щодо електромагнітної сумісності є одним з неодмінних складових успіху в цій справі. Це дозволяє очікувати як на поступове уточнення статистичних даних про характеристиках гроз і блискавок в Україні, так і на більш систематизований облік випадків уражень і адаптацію нормативно-технічної документації до нових умов. До України вже прибули нові технології і матеріали, в тому числі і в будівництво, але широкому впровадженню нових продуктів і технологій в області блискавкозахисту ще не приділено достатньої уваги.

Електротехнічна компанії E.NEXT-Україна пропонує повний комплекс послуг з побудови систем блискавкозахисту та заземлення: від обстеження об'єкту та розробки оптимального рішення для нього до безпосереднього монтажу та сервісного обслуговування.

Захист від блискавки - сучасний стан і потреби


Повернутися до списку