Protezione contro i fulmini di edifici e strutture

La scarica di fulmini dall'elettricità atmosferica può causare danni all'isolamento, incidenti negli impianti elettrici, incidenti con persone e distruzione di edifici e strutture.

L'aspetto del fulmine

Quando il sole riscalda la superficie terrestre, sorgono correnti d'aria verso l'alto sature di vapore acqueo. Le particelle d'acqua più piccole sono cariche negativamente, quelle più grandi sono cariche positivamente.

Sotto l'influenza del vento e della gravità, si verifica una separazione di particelle caricate in modo opposto. Le particelle d'acqua nelle nuvole che raggiungono un'altezza di oltre 5 km si congelano e collassano. I cristalli caricati positivamente si trovano nella parte superiore della nuvola, ad un'altezza di 5-7 km, caricati negativamente - ad un'altezza di 2-5 km. Come risultato della separazione delle cariche nelle nuvole, si formano i cosiddetti. Le cariche spaziali e le diverse parti della nuvola temporalesca hanno valori e segni di carica diversi. Le cariche dal fondo della nuvola provocano al suolo cariche di segno opposto.

Tra le nuvole e il suolo, così come tra le diverse parti della nuvola o tra le diverse nuvole, sorgono campi ad alta intensità - diverse decine di migliaia di volt per centimetro. A un'intensità di campo di circa 30 kV / cm, si verifica la ionizzazione dell'aria, inizia una svolta: la cosiddetta scarica leader (un canale debolmente luminoso con un diametro di 10–20 m), che si muove a una velocità media di 200– 300 km/sec.

Sotto l'azione del campo, si caricano sul terreno - in aree con maggiore conduttività (luoghi umidi, strati elettricamente conduttivi, ecc.) o con oggetti alti (colline, camini, torri d'acqua, pali, linee elettriche, alberi, edifici indipendenti su la pianura, ecc. .) — ​​avvicinarsi al guidatore.

Il conduttore viene indirizzato verso l'oggetto rispetto al quale la tensione del campo elettrico è massima e quindi si verifica una potente controscarica che si propaga ad una velocità paragonabile a quella della luce (Fig. 1). Inoltre, in meno di un decimillesimo di secondo, una corrente che raggiunge centinaia di migliaia di ampere passa attraverso la struttura interessata, sotto l'influenza della quale il plasma si riscalda fino a diverse decine di migliaia di gradi e inizia a brillare intensamente.

L'effetto luminoso dell'espulsione viene percepito come un fulmine e l'espansione esplosiva dell'aria nel canale di scarico produce un effetto sonoro: un tuono.

Riso. 1. Schema del processo di elettrificazione di una nuvola temporalesca e sviluppo di una scarica di fulmine verso un oggetto terrestre.

Le misurazioni mostrano che circa i 3/4 degli scarichi provengono dalle parti caricate negativamente della nuvola e 1/4 degli scarichi dalle aree caricate positivamente. Dopo il primo, possono comparire diverse altre scariche consecutive.

Le scariche di fulmini sono caratterizzate dai seguenti parametri:

• ampiezza della corrente — la corrente più frequentemente osservata è 10–30 kA, nel 5–6% delle misurazioni la corrente raggiunge 100–200 kA;

• lunghezza del fronte d'onda — la durata dell'aumento della corrente di fulmine fino al suo valore massimo (solitamente 1,5-2 μs).

Molto meno spesso si osserva un fulmine globulare, che è una sfera di plasma incandescente con un diametro fino a mezzo metro, che si muove lentamente sotto l'influenza delle correnti d'aria sulla superficie terrestre. I fulmini globulari penetrano negli edifici attraverso camini, finestre, porte.

Se un fulmine globulare tocca un organismo vivente, si verificano lesioni mortali, si verificano gravi ustioni e, al contatto con strutture, si verificano esplosioni e distruzione meccanica di oggetti. La natura del fulmine globulare non è ancora ben compresa.

Impatto dei fulmini su edifici e strutture

Un fulmine diretto provoca la spaccatura dei supporti, la fusione delle strutture, l'accensione e l'esplosione, la distruzione meccanica, il riscaldamento inaccettabile delle strutture metalliche a causa dei fulmini che le attraversano nel terreno. Secondo i dati operativi, i fulmini bruciano lamiere con uno spessore di 4 mm.

L'induzione elettrostatica si manifesta nella creazione di un alto potenziale su strutture e fili metallici isolati, che porta alla distruzione del terreno, che a sua volta può causare scosse elettriche alle persone, accensione ed esplosione di miscele esplosive, nonché danni alle isolamento negli impianti elettrici .

L'induzione elettromagnetica si manifesta nell'induzione durante la corrente di scarica su strutture metalliche stirate e comunicazioni (travi, binari, tubazioni, ecc.), Isolate l'una dall'altra e dal suolo, che possono provocare una scintilla o un arco.

In caso di scarica di un fulmine, vengono introdotti potenziali elevati anche lungo le strutture di terra e le comunicazioni esterne.

Gli edifici e le strutture, a seconda del loro scopo e dell'intensità dell'attività dei fulmini nell'area in cui si trovano, devono essere protetti da danni da fulmini o effetti secondari causati da scariche di fulmini.

Il territorio dagli Urali a Krasnoyarsk ea sud di Krasnoyarsk, da Krasnoyarsk a Khabarovsk appartiene ad aree con una durata media dell'attività temporalesca da 40 a 60 ore. Nella regione a nord di Krasnoyarsk, da Krasnoyarsk a Nikolaevsk-on-Amur, la durata media dell'attività temporalesca va dalle 20 alle 40 ore. Nelle regioni dell'Alto Altai (Biysk-Gorno-Altaysk-Ust-Kamenogorsk) si osserva un aumento dell'attività dei temporali da 60 a 80 ore all'anno. La protezione contro i fulmini di edifici e strutture deve essere eseguita secondo progetti sviluppati da organizzazioni specializzate.

Protezione contro i fulmini diretti. Area di copertura del parafulmine

L'azione dei dispositivi di protezione contro i fulmini consiste nel fatto che un parafulmine metallico che lo sovrasta è installato vicino all'oggetto protetto, collegato in modo affidabile al suolo. Quando si verifica una scarica di fulmine, il conduttore che si precipita a terra si avvicina al punto più alto di maggiore conduttività (la parte superiore del parafulmine con messa a terra funge da tale punto) e la scarica avviene al parafulmine, bypassando l'oggetto protetto.

La zona di protezione di un parafulmine ad asta singola di altezza h è un cono di altezza 0,92 h con una base a forma di cerchio di raggio 1,5 h (Fig. 2).

Tutte le strutture che rientrano nel cono saranno protette da un fulmine diretto con un'affidabilità di almeno il 95% (Zona B).All'interno di un cono con un'altezza di 0,85 ore e un raggio di base di 1,1 ore, l'affidabilità della protezione è del 99,5%. (Zona A).

Riso. 2. Zone di protezione contro i fulmini ad asta singola. A — zona di protezione con affidabilità del 99,5%; B — zona di protezione con affidabilità del 95%; 1 - parafulmine; 2 — oggetto protetto.

Se l'area del sito è più grande dell'area protetta, è necessario aumentare l'altezza del parafulmine o installare più parafulmini.

Protezione contro gli effetti secondari dei fulmini

La misura principale per combattere il verificarsi di alti potenziali negli edifici o nelle strutture a causa dell'induzione elettrostatica durante le scariche atmosferiche è la messa a terra di tutti gli elementi conduttivi dell'edificio.

Per rimuovere l'influenza induzione elettromagnetica in elementi metallici allungati (condutture, strutture metalliche, ecc.), questi ultimi sono collegati in modo affidabile con ponti metallici.

Al fine di eliminare il trasferimento di alti potenziali attraverso comunicazioni aeree e sotterranee, gli ingressi delle reti di alimentazione, radio, segnalazione e comunicazione sono implementati da limitatori di cavi e valvole (ad esempio, RVN-0.5) e spinterometri, che vengono attivati ​​​​quando il sono installati aumenti di tensione.