Сложные процессы атмосферного электричества вызывают разделение образующихся электрических зарядов на противоположно заряженные тучевые массы. Вследствие электрической индукции поверхность земли под тучей и находящиеся на земле сооружения заряжаются противоположным зарядом;
в результате между тучами, а также между тучей и поверхностью земли возникают электрические поля. Постепенно накапливаясь, заряды повышают потенциал тучи до критической величины, при которой начинается развитие разряда между соседними тучами или тучей и землей. Этот разряд сопровождается сильным свечением канала разряда, резким звуковым эффектом и характеризуется малой продолжительностью (доли секунды) и значительными по величине и напряжениям токами.
Разряды между тучами, как правило, оказывают меньшее- влияние на сооружения, находящиеся на поверхности земли, чем разряды между тучей и землей.
При разрядах на землю может иметь место:
а) непосредственное поражение людей;
б) поражение каналом молнии наземных сооружений, сопровождаемое значительными механическими и термическими эффектами и вызывающее пожары и разрушения зданий и сооружений такие поражения сооружений прямыми ударами молнии носят название первичных воздействий молнии;
в) разряд молнии на некотором расстоянии от сооружений. Такой разряд, не оказывая прямого воздействия на здания и сооружения, проявляется в виде вторичных явлений, которые могут, в свою очередь, привести к значительным воздействиям на огнеопасные и взрывоопасные сооружения. Такого рода проявления молнии носят название вторичных воздействий молнии.
При первичном воздействии молнии в месте соприкосновения канала с объектом выделяется значительное количество тепла, вследствие чего горючие материалы могут воспламеняться.
При соприкосновении канала молнии с негорючим материалом происходит его частичное разрушение, а легко воспламеняющиеся жидкости и вещества загораются.
Вторичные действия молнии вызываются электростатической индукцией и электромагнитной индукцией.
Вследствие электростатической индукции грозовое облако скапливает на наземных объектах заряды, противоположные по знаку заряда облака. Это накапливание происходит относительно медленно, и заряды практически образуются на объектах, изолированных от земли.
После грозового разряда, который может произойти, например, между заряженными облаками, заряд облака изменяется по величине или совершенно исчезает. Оставшиеся на изолированных объектах заряды, не успевая разрядиться вслед за разрядом туч, создают значительные потенциалы на незаземленных металлических частях этого объекта по отношению ко всем заземленным предметам.
Такая разность потенциалов может появиться, например, между металлической крышей деревянного или каменного здания и любыми металлическими предметами, имеющими соединение с землей (трубопроводы, кабели). Эта разность потенциалов может привести к образованию искры внутри помещения и возникновению пожара или взрыва, если в этих помещениях хранятся легковоспламеняющиеся или взрывчатые вещества.
Надежной мерой защиты от электростатической индукции является заземление металлических предметов.
Прямой удар молнии в молниеотвод или в непосредственной близости от защищаемого объекта сопровождается появлением сильного электромагнитного поля, которое индуктирует во всех металлических контурах электродвижущую силу, способную вызвать искрообразование. В зависимости от характера изменения тока. размеров контура и его удаленности от канала молнии или молниеотвода, эта электродвижущая сила может достигать значительных величин. Такие контуры внутри объекта могут быть образованы из различного рода металлических предметом (трубопроводы, кабели) или их сочетаний.
Надежной защитой от воздействия электромагнитной индукции является создание замкнутых контуров путем соединения между собой всех металлических протяженных предметов в местах их сближения и образования хороших контактов как между различного рода предметами оборудования, так и во фланцах, стыках и пр. Индуктируемая же в таких замкнутых контурах электродвижущая сила вызывает появление электрического тока и незначительное нагревание элементов контура, которое не может вызвать какой-либо опасности.
Наряду с первичными и вторичными воздействиями молнии, значительную опасность для взрывоопасных помещений представляют заносы высоких потенциалов. Такие заносы могут происходить как по воздушным проводам любого назначения, так и по подземным трубопроводам, кабелям, имеющим связь с заземлителями молниеотводов или близко расположенными от них.
Высокие потенциалы на воздушных проводах могут появиться в результате электростатической индукции или прямого удара молнии в них. Эти потенциалы способны вызвать внутри помещений разряд с арматуры сети на ближайшие предметы и послужить причиной взрыва. Защитой от заноса высоких потенциалов является отделение заземлителей от подземных магистралей и их заземление у ввода в объект.
Разряд молнии опасен также тем, что ее удар может вызвать поражение людей, находящихся вблизи грозозащитных устройств, а именно при соприкосновении с элементами этих устройств в момент поражения- молнией (напряжение прикосновения) или при нахождении в непосредственной близости от заземлителей молниеотводов (шаговое напряжение).
При разработке мер защиты от молнии следует считаться с выявленной «избирательной поражаемостью молнией», т. е. свойством некоторых мест земной поверхности как бы притягивать молнию. Избирательная поражаемость молнией находится в связи с наличием повышенной грозовой деятельности в поражаемых районах и объясняется влиянием повышенной электропроводимости воздуха и почвы. В зависимости от геологического строения могут существовать отдельные точки, в которых ионизация воздуха больше, чем в окружающих местах; например, гранитные скалы и железистые графиты поражаются чаще, чем известняки. Имеет значение и высота уровня грунтовых вол.
Обычно молнии ударяют в места с пониженным электрическим сопротивлением почвы, например в места соприкосновения двух горных пород, в расщелины гранитных скал с водяными жилами и т. д.
Для предохранения зданий и сооружений от разрушительного действия молнии предусматриваются устройства грозозащиты. Действие грозозащиты основано на свойстве более высоких металлических, соединенных с землей предметов принимать на себя удары молнии, защищая от нее расположенные поблизости более низкие объекты.
В настоящее время применяются три основных типа грозозащитных сооружений: диверторная защита, антенная защита и сеточная защита.
Грозозащитные сооружения состоят из: молниеуловителей (или приемников), токоотводов и заземлителей.
Молииеуловитель является наиболее высоко расположенной частью грозозащитного устройства и служит для приема грозового разряда и подвода его к другим частям грозозащитного устройства.
Токоотвод — металлический проводник или система проводников, соединяющих молниеуловители с заземлителями и обеспечивающих безопасный отвод в землю грозового разряда, принятого молниеуловителем.
Заземлители представляют собой проводник или систему проводников, находящуюся в непосредственном плотном соприкосновении с почвой и предназначенную для отвода в нее грозовых разрядов.
Диверторная грозозащита. Диверторная или штыревая грозозащита выполняется в виде хорошо заземленных металлических или деревянных штанг (диверторов) с укрепленными на них в случае деревянных штанг молниеприемником и проводами токоотвода.
Антенная грозозащита. Здесь молниеприемником служит один или несколько проводов, горизонтально натянутых над защищаемым сооружением. Сечение стальных проводов берется не менее 70—100 мм2 и медных—50 мм2.
Сеточная грозозащита устраивается в виде одной или двух металлических сеток с размерами клеток от нескольких метров до десятков сантиметров. Сеточные молниеприемники размещают над защищаемым объектом на специальных опорах, устанавливаемых на расстоянии от защищаемого объекта, или на деревянных опорах на самом объекте.
Защита от прямых ударов молнии. Защитное действие молниеотвода определяется его зоной защиты. Зона защиты молниеотвода представляет пространство, которое с достаточной надежное II,к) не может поражаться прямыми ударами молнии. Сооружение будет защищено от прямых ударов молнии, если все его части окажутся в пределах зоны защиты молниеотводов.
Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h представляет собой конус с образующей в виде ломаной линии (рис. 58), вершина которого совпадает с вершиной молниеотвода. Основание конуса представляет окружность радиуса r — 1,5h. Горизонтальным сечением зоны защиты на высоте hx (высота защитного уровня) от земли является круг радиуса rх (rх—радиус защиты) с центром по оси молниеотвода.
Графическое построение зоны защиты производится путем соединения прямыми точек на оси молниеотвода на расстоянии 0,8h и h от земли с точками по обе стороны от основания молниеотвода на расстоянии, соответственно, 1,5h и 0,75h.
Рис.58. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода.
Зона защиты двойного стержневого молниеотвода одной высоты при расстоянии между молниеотводами, равном а, представлена на рис. 59. Торцевые области зоны строятся аналогично зоне одиночного молниеотвода. Часть зоны, расположенная между молниеотводами, сверху ограничивается дугой окружности, проходящей через вершины молниеотводов. Эта окружность при графическом построении проводится из центра, расположенного на вертикальной прямой, проведенной из середины между
молниеотводами (a/2)/ Центр этой окружности расположен от поверхности земли на расстоянии H = 4h. Сечение зоны защиты вертикальной плоскостью, проходящей в середине между молниеотводами, по своему очертанию подобно зоне защиты одиночного молниеотвода высотой h0, где h0 расстояние от поверхности земли до верхней границы зоны в этой плоскости; соответственно этому r0= 1,5h0 и rxo — радиус защиты в самом узком месте зоны.
Рис. 59. Зона защиты двойного стержневого молниеотвода.
Исправное состояние систем грозозащиты должно периодически подвергаться проверке.