Грозы, удары молний, градобитие

Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота Кафедра защиты в чрезвычайных ситуациях Контрольная работа Дисциплина: «Опасные природные процессы»

Тема: «Грозы, удары молний, градобитие»

Калининград

2008Введение

По оценкам экспертов ООН, за последние сто лет в разных странах мира произошло более 50 тысяч природных катастроф, ставших причиной гибели свыше 4 млн. человек. Из 234 наиболее масштабных природных катастроф 1950;1999 годов 38% были штормы, 29% - землетрясения, 27% - наводнения, а 6% составили все остальные виды природных опасностей. Землетрясения унесли жизни 47% погибших, штормы — 45%, наводнения — 7%, другие виды опасностей — 1%. Экономические потери имеют следующее соотношение: 35% - от землетрясений, 30% - от наводнений, 28% - от штормов и 7% - от других опасностей.

Территория России подвержена воздействию широкого спектра опасных природных процессов. Динамика социальных потерь от чрезвычайных ситуаций (ЧС), приведенная на графике 1 и в таблице, охватывает период с 1901;го по 2000 год.

График 1. Динамика роста социальных потерь от природных катастроф в России (1901;2000 гг.)

Таблица. Распределение ЧС природного характера и связанных с ними социальных потерь (Россия, 1901;2000 гг.)

Актуальность предупреждения ОПП обуславливается:

1. увеличением в последние годы ущерба от стихийных бедствий;

2. возрастанием количества природных и природно-техногенных чрезвычайных ситуаций;

3. низким уровнем оправдываемости прогнозов опасных и особо опасных природных явлений, производимых с помощью существующих методов прогнозирования;

4. недостаточной изученностью физических процессов взаимовлияния геосфер.

Основными задачами прогнозирования являются:

1. анализ основных опасностей природного характера для типовых объектов на территории России;

2. оценка рисков возникновения опасных и особо опасных природных явлений для отдельных регионов;

3. исследование количественных зависимостей, описывающих состояние и динамику атмосферных процессов, которые приводят к возникновению опасных и особо опасных природных явлений и чрезвычайным ситуациям;

4. систематизация опасных и особо опасных явлений природы, приводящих к экологическим катастрофам;

5. исследование экологических последствий опасных и особо опасных природных явлений;

6. исследование видов экономического ущерба и их рисков;

7. разработка методов прогнозирования рисков экологических катастроф, вызванных опасными и особо опасными природными явлениями;

8. исследование эффективности использования прогнозов при управлении рисками;

9. разработка физико-статистических моделей, алгоритмов, методик и программных продуктов для анализа и прогноза экологической обстановки при возникновении чрезвычайных ситуаций;

10. сбор и обобщение информации о случаях, когда опасные явления природы явились источниками экологических происшествий и катастроф;

11. разработка концептуальной модели опасного явления природы;

12. сбор и анализ информации об опыте управления в кризисных экологических ситуациях, накопленном в мире и, в частности, в РФ.

1. Реферативная часть

1.1 Грозы

1.1.1 Определение

Гроза — атмосферное явление, при котором внутри облаков или между облаком и земной поверхностью возникают электрические разряды — молнии, сопровождаемые громом.

1.1.2 Распространенность

Одновременно на Земле действует около полутора тысяч гроз, средняя интенсивность разрядов оценивается как 46 молний в секунду. По поверхности планеты грозы распределяются неравномерно. Над океанами гроз наблюдается приблизительно в десять раз меньше, чем над континентами. В тропической и субтропической зоне (от 30° северной широты до 30° южной широты) сосредоточено около 78% всех молниевых разрядов. Максимум грозовой активности приходится на Центральную Африку. В полярных районах Арктики и Антарктики и над полюсами гроз практически не бывает. Интенсивность гроз следует за солнцем: максимум гроз приходится на лето и дневные послеполуденные часы. Минимум зарегистрированных гроз приходится на время перед восходом солнца. На грозы влияют также географические особенности местности: сильные грозовые центры находятся в горных районах Гималаев и Кордильер.

Рисунок 1. Распространенность гроз по земному шару

1.1.3 Механизм развития

1.1.3.1 Стадии развития грозового облака

Рисунок 2. Стадии развития грозового облака

Необходимыми условиями для возникновения грозового облака является наличие условий для развития конвекции или иного механизма, создающего восходящие потоки, запаса влаги, достаточного для образования осадков, и наличия структуры, в которой часть облачных частиц находится в жидком состоянии, а часть в ледяном.

1.1.3.2 Классификация грозовых облаков

В настоящее время принято классифицировать грозы в соответствии с характеристиками самих гроз и эти характеристики в основном зависят от метеорологического окружения, в котором развивается гроза.

1.1.3.2.1 Одноячейковое облако

Рисунок 3. Стадии развития одноячейкового кучево-дождевого облака

Одноячейковые кучево-дождевые облака развиваются в дни со слабым ветром в малоградиентном барическом поле. Их называют еще внутримассовыми или локальными грозами. Они состоят из конвективной ячейки с восходящим потоком в центральной своей части. Они могут достигать грозовой и градовой интенсивности и быстро разрушаться с выпадением осадков. Размеры такого облака: поперечный 5−20 км, вертикальный — 8−12 км, продолжительность жизни около 30 минут, иногда до 1 часа. Серьезных изменений погоды после грозы не происходит.

1.1.3.2.2 Многоячейковые кластерные грозы

Рисунок 4. Схема многоячейковой грозовой структуры

Это наиболее распространенный тип гроз связанный с мезомасштабными (имеющими масштаб от 10 до 1000 км) возмущениями. Многоячейковый кластер состоит из группы грозовых ячеек, двигающихся как единое целое, хотя каждая ячейка в кластере находится на разных стадиях развития грозового облака. Грозовее ячейки имеют поперечные размеры 20−40 км, их вершины нередко поднимаются до тропопаузы и проникают в стратосферу. Многоячейковые кластерные грозы могут давать град, ливневые дожди и относительно слабые шквальные порывы ветра. Многоячейковый кластер может существовать в течение нескольких часов.

1.1.3.2.2 Многоячейковые линейные грозы (линии шквалов)

Многоячейковые линейные грозы представляют собой линию гроз с продолжительным, хорошо развитым фронтом порывов ветра на передней линии фронта. Линия шквалов может быть сплошной или содержать бреши. Приближающаяся многоячейковая линия выглядит как темная стена облаков, обычно покрывающая горизонт с западной стороны (в северном полушарии). Большое число близко расположенных восходящих / нисходящих потоков воздуха позволяет квалифицировать данный комплекс гроз как многоячеечный, хотя его грозовая структура резко отличается от многоячейковой кластерной грозы. Линии шквалов могут давать крупный град и интенсивные ливни. Данное явление характерно для Северной Америки, на территории Европы и Европейской территории России наблюдается реже.

1.1.3.2.3 Суперячейковые грозы

Рисунок 5. Вертикальная и горизонтальная структура суперячейкового облака

Суперячейковые облака относительно редки, но представляют наибольшую угрозу для здоровья и жизни человека и его имущества. Суперячейковое облако имеет одну зону восходящего потока и размер ячейки: диаметр порядка 50 км, высота 10−15 км (нередко верхняя граница проникает в стратосферу) с единой полукруглой наковальней. Скорость восходящего потока в суперячейковом облаке до 60 — 80 м/с. Вращающийся восходящий поток в суперячейковом облаке (в радарной терминологии называемым мезоциклоном) создает экстремальные по силе погодные явления, такие, как гигантский град (более 5 см в диаметре), шквальный ветер до 40 м/с и сильные разрушительные смерчи. Окружающие условия являются основным фактором в образовании суперячейкового облака. Необходима очень сильная конвективная неустойчивость воздуха. Температура воздуха у земли (до грозы) должна быть +27…+30 и выше, необходим ветер переменного направления, вызывающий вращение. Осадки, образующиеся в восходящем потоке, переносятся по верхнему уровню облака сильным потоком в зону нисходящего потока. Таким образом, зоны восходящего и нисходящего потоков оказываются разделенными в пространстве, что обеспечивает жизнь облака в течение длительного периода времени. Обычно на передней кромке суперячейкового облака наблюдается слабый дождь. Ливневые осадки выпадают вблизи зоны восходящего потока, а наиболее сильные осадки и крупный град выпадают к северо-востоку от зоны основного восходящего потока.

1.1.3.3 Физические характеристики грозовых облаков

Самолетные и радарные исследования показывают, что единичная грозовая ячейка обычно достигает высоты порядка 8 — 10 км и живет порядка 30 минут. Изолированная гроза обычно состоит из нескольких ячеек находящихся в различных стадиях развития и длится порядка часа. Крупные грозы могут достигать в диаметре десятки километров, их вершина может достигать высоты свыше 18 км, и они могут длиться много часов.

1.1.3.3.1 Восходящие и нисходящие (шквалы) потоки

Восходящие и нисходящие потоки в изолированных грозах обычно имеют диаметр от 0,5 до 2,5 км и высоту от 3 до 8 км. Вблизи поверхности земли потоки обычно увеличиваются в диаметре, а скорость в них падает по сравнению с выше расположенными потоками. Характерная скорость восходящего потока лежит в диапазоне от 5 до 10 м/с, и доходит до 20 м/с в верхней части крупных гроз. Наиболее сильные восходящие потоки наблюдаются в организованных грозах.

В некоторых грозах возникают интенсивные нисходящие воздушные потоки, создающие на поверхности земли ветер разрушительной силы. В зависимости от размера такие нисходящие потоки называются шквалами или микрошквалами. Шквал диаметром более 4 км в диаметре может создавать ветер до 60 м/с. Микрошквалы имеют меньшие размеры, но создают ветер скоростью до 75 м/с. Если порождающая шквал гроза образуется из достаточно теплого и влажного воздуха, то микрошквал будет сопровождаться интенсивным ливневым дождем. Однако если гроза формируется из сухого воздуха, осадки во время выпадения могут испариться (испаряющиеся в воздухе полосы осадков) и микрошквал будет сухим. Нисходящие воздушные потоки являются серьезной опасностью для самолетов, особенно во время взлета или посадки, так как они создают вблизи земли ветер с сильными внезапными изменениями скорости и направления.

1.1.3.3.2 Смерчи

Смерч — это сильный маломасштабный вихрь под грозовыми облаками с приблизительно вертикальной, но часто изогнутой осью. От периферии к центру смерча наблюдается перепад давления в 100−200 гПа. Скорость ветра в смерчах может превышать 100 м/с, теоретически может доходить до скорости звука. В России смерчи возникают сравнительно редко, но приносят колоссальный ущерб. Наибольшая повторяемость смерчей приходится на центр европейской части России (Московская, Нижегородская, Ивановская, Тамбовская области).

1.1.3.3.3 Ливни

В небольших грозах пятиминутный пик интенсивных осадков может превосходить 120 мм/час, но весь остальной дождь имеет на порядок меньшую интенсивность. Средняя гроза дает порядка 2000 м³ осадков, но крупная гроза может дать в десять раз больше. Большие организованные грозы, связанные с мезомасштабными конвективными системами, могут создать от 10 до 1000 миллионов м³ осадков.

1.1.4 Угроза для населения, зданий и сооружений

Как правило, при грозе выпадают интенсивные ливневые осадки, нередко град, и наблюдается усиление ветра, часто до шквала, смерчей. Всё это делает грозу разрушительным природным явлением. Удары молний нередко вызывают пожары, разрушения зданий, порчу линий электропередач, нарушают движение поездов. Сильный ветер может срывать крыши с домов и поднимать в воздух тяжёлые предметы. Град может привести к гибели людей и скота, порче зданий и сооружений.

1.1.5 Предупреждение грозы

Ветер не дает правильного представления о направлении движения грозы, грозы часто идут против ветра. Поэтому, если вы заметили грозовой фронт, то в первую очередь определите примерное расстояние до него по времени задержки первого раската грома, первой вспышки молнии, а также оцените, приближается или удаляется фронт. Поскольку скорость света огромна (300 000 км/с), то вспышку молнии мы наблюдаем мгновенно. Следовательно, задержка звука будет определяться расстоянием и его скоростью (около 340 м/с).

Пример: Если после вспышки до грома прошло 5 секунд, то расстояние до грозового фронта равно 340 м/с * 5с = 1700 м. Если запаздывание звука растет, то грозовой фронт удаляется, а если запаздывание звука сокращается, то грозовой фронт приближается.

1.1.6 Правила поведения при грозе

Существует несколько простых правил, выполнение которых позволит сократить риск для жизни и здоровья во время грозы.

1. Если вы находитесь под открытым небом, укройтесь (по возможности) в автомобиле с жёсткой крышей или в помещении; не прячьтесь в небольших строениях (навесах), матерчатых палатках или среди изолированных и малочисленных скоплений деревьев.

2. Если до убежища далеко — пригнитесь (держась поодиночке); желательно укрыться в каком-нибудь углублении; ноги держите вместе и снимите все металлические предметы с головы и тела. Не ложитесь на землю, но старайтесь не оказаться самой высокой точкой на местности.

3. Если волосы встали дыбом или вы слышите жужжание со стороны близлежащих предметов, например крупных камней или заборов, — немедленно перейдите на другое место.

4. Не держите в руках длинные металлические предметы, например удочки, зонты или клюшки для гольфа.

5. Не касайтесь металлических сооружений, проволочных заборов или металлической проволоки для сушки белья. Не приближайтесь к ним.

6. Не ездите верхом, на велосипеде или машине с открытым верхом.

7. Если вы едете на машине, снизьте скорость и остановитесь, но подальше от таких высоких предметов, как деревья и высоковольтные ЛЭП. Оставайтесь в машине или в жилом прицепе с жёсткой крышей, но не касайтесь металлических частей и не подходите к ним.

8. Если вы купаетесь, немедленно выйдете из воды и уйдите в укрытие.

9. Если вы плаваете на лодке — как можно скорее причальте к берегу. Если это невозможно, укройтесь под высокой постройкой (мостом или пристанью). Мачты и оттяжки яхты должны быть надёжно заземлены на воду.

10. Если вы находитесь в помещении, то следует держаться

подальше от окон, электроприборов, а также труб и другой металлической сантехники.

11. Не звоните по телефону. Если нужно вызвать службы

экстренной помощи — говорите ёмко и как можно короче.

12. Перед грозой отключите внешние антенны и выключите из

розетки радиоприёмники и телевизоры. Отсоедините модемы и источник питания.

1.2 Молнии

1.2.1 Определение

Молния — гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, проявляющийся обычно яркой вспышкой света и сопровождающим её громом.

1.2.2 Механизм развития

Грозовые разряды (молнии) — это наиболее распространенный источник мощных электромагнитных полей естественного происхождения. Молния представляет собой разновидность газового разряда при очень большой длине искры. Общая длина канала молнии достигает нескольких километров, причем значительная часть этого канала находится внутри грозового облака. Причиной возникновения молний является образование большого объемного электрического заряда.

Обычным источником молний являются грозовые кучево-дождевые облака, несущие в себе скопление положительных и отрицательных электрических зарядов в верхней и нижней частях облака и образующие вокруг этого облака электрические поля возрастающей напряженности. Образование таких объемных зарядов различной полярности в облаке (поляризация облака) связано с конденсацией вследствие охлаждения водяных паров восходящих потоков теплого воздуха на положительных и отрицательных ионах (центрах конденсации) и разделением заряженных капелек влаги в облаке под действием интенсивных восходящих тепловых воздушных потоков.

Грозовые разряды по внешним признакам могут быть разделены на несколько типов. Обычный тип — линейная молния, с разновидностями: ленточная, ракетообразная, зигзагообразная и разветвленная. Наиболее редкий тип разрядов — шаровая молния. Известны разряды, носящие названия «Огни святого Эльма» и «Свечение Анд».

Молния обычно бывает многократной, т. е. состоит из нескольких единичных разрядов, развивающихся по одному и тому же пути, причем каждый разряд, так же как и разряд, получаемый в лабораторных условиях, начинается лидерным и завершается обратным (главным) разрядом. Скорость опускания лидера первого единичного разряда примерно равна 1500 км/с, скорости лидеров последующих разрядов достигают 2000 км/с, а скорость обратного разряда изменяется в пределах 15 000 -150 000 км/с, т. е. от 0,05 до 0,5 скорости света. Канал лидера, как и канал всякого стримера, заполнен плазмой, следовательно, обладает определенной проводимостью. Верхним концом лидерный канал соединен с одним из заряженных центров в облаке, поэтому часть зарядов этого центра стекает в канал лидера. Распределение заряда в канале должно быть неравномерным, возрастая к его концу. Однако некоторые косвенные измерения позволяют предположить, что абсолютная величина заряда на головке лидера невелика и в первом приближении канал можно считать равномерно заряженным с линейной плотностью зарядов у.

Общий заряд в канале лидера в этом случае равен Q = у l, где l — длина канала, причем обычно значение его составляет около 10% значения заряда, стекающего в землю во время единичного разряда молнии. В 70−80% всех случаев этот заряд имеет отрицательную полярность.

Рисунок 6. Отдельные стадии развития обратного разряда и изменение во времени тока молнии.

А — последняя стадия лидерного разряда; Б — последняя стадия лидерного разряда; В-возникновение зоны интенсивной ионизации вблизи поверхности земли; Г — промежуточная стадия развития обратного разряда; Д — заключительная стадия развития обратного разряда; l — канал лидера; 2 — зона перестройки канала; 3 — канал обратного разряда.

По мере продвижения канала лидера под действием создаваемого им электрического поля в земле происходит смещение зарядов, причем заряды, противоположные по знаку зарядам лидера (обычно это положительные заряды), стремятся расположиться как можно ближе к головке лидерного канала. В случае однородного грунта эти заряды скапливаются непосредственно под лидерным каналом. Если грунт неоднородный и основная его часть обладает большим удельным сопротивлением, заряды сосредоточиваются в участках с повышенной проводимостью (реки, грунтовые воды). При наличии заземленных возвышающихся объектов (молниеотводы, дымовые трубы, высокие здания, смоченные дождем деревья) заряды стягиваются к вершине объекта, создавая там значительную напряженность поля.

На первых стадиях развития лидерного канала напряженность электрического поля на его головке определяется собственными зарядами лидера и находящимися под облаком скоплениями объемных зарядов. Траектория движения лидера не связана с земными объектами. По мере опускания лидера все большее влияние начинают оказывать скопления зарядов на земле и возвышающихся объектах. Начиная с определенной высоты головки лидера (высота ориентировки), напряженность поля по одному из направлений оказывается наибольшей, и происходит ориентирование лидера на один из наземных объектов. Естественно, что при этом преимущественно поражаются возвышающиеся объекты и участки земли с повышенной проводимостью (избирательная поражаемость). С очень высоких объектов навстречу лидеру развиваются встречные лидеры, наличие которых способствует ориентированию молнии на данный объект.

Рисунок 7. Замыкание на землю вертикального заряженного провода

После того, как канал лидера достигнет земли или встречного лидера, начинается обратный разряд, во время которого канал лидера приобретает потенциал, практически равный потенциалу земли. На головке развивающегося вверх обратного разряда имеется область повышенной напряженности электрического поля, под действием которой происходит перестройка канала, сопровождающаяся увеличением плотности зарядов плазмы от 10¹³ — 10¹⁴ до 10¹⁶ — 10¹⁹ 1/м³, благодаря чему проводимость канала увеличивается, по крайней мере, в 100 раз. Во время развития обратного разряда через место удара проходит ток i_M = у v, где v — скорость обратного разряда.

Таким образом, и при разряде молнии ток в месте удара будет равен уv только при сопротивлении заземления, равном нулю. При сопротивлениях заземления, отличных от нуля, ток в месте удара уменьшается. Количественно определить это уменьшение довольно трудно, так как волновое сопротивление канала молнии можно оценить лишь грубо приближенно. Имеются основания предполагать, что волновое сопротивление канала молнии уменьшается при увеличении тока, причем среднее значение примерно равно 200 — 300 Ом. В таком случае при изменении сопротивления заземления объекта от 0 до 30 Ом ток в объекте изменяется всего на 10%. Такие объекты в дальнейшем мы будем называть хорошо заземленными и считать, что через них проходит полный ток молнии i_M = у v.

Молнии с большими токами возникают крайне редко. Так, молнии с токами 200 кА возникают в 0,7… 1,0% случаев от общего числа наблюдавшихся разрядов. Число случаев ударов молний с величиной тока 20 кА составляет порядка 50%. Поэтому принято значения амплитуд токов молний представлять в виде кривых вероятностей (функций распределения), для которых по оси ординат откладывается вероятность появления токов молнии с максимальным значением.

Основной количественной характеристикой молнии является ток, протекающий через пораженный объект, который характеризуется максимальным значением i_M, средней крутизной фронта и длительностью импульса t_и, которая равна времени уменьшения тока до половины максимального значения.

Рисунок 8. Кривые вероятности токов молнии

Для горных местностей ординаты кривой уменьшаются в 2 раза, так как при малых расстояниях от земли до облаков молния возникает при меньшей плотности зарядов в скоплениях, т. е. вероятность больших токов уменьшается.

Длительность импульса тока молнии в основном определяется временем распространения обратного разряда от земли до облака и в связи с этим изменяется в относительно узких пределах от 20 до 80−100 мкс. Средняя длительность импульса тока молнии близка к 50 мкс.

Заряд, переносимый молнией, колеблется в процессе разряда в пределах от долей кулона до нескольких десятков кулон. Средний заряд, опускаемый в землю многократной молнией, равен 15 — 25 Кл. Учитывая, что в среднем разряд молнии содержит три компоненты, следовательно, во время одной компоненты в землю переносится около 5 — 8 Кл. Из них в канал лидера стекает около 60% всего данного скопления зарядов, что составляет 3 — 5 Кл. Удар молнии в равнинные участки поверхности земли несет заряд 10 — 50 Кл (в среднем 25 Кл), при ударах молнии в горах — заряд 30 — 100 Кл (в среднем 60 Кл), при разрядах в телевизионные башни заряд достигает 160 Кл. При разрядах молнии в землю в подавляющем большинстве (85 — 90%) в землю переносится отрицательный заряд.

Заряд, стекающий в землю во время многократной молнии, изменяется в пределах от долей кулона до 100 Кл и более. Среднее значение этого заряда близко к 20 Кл.

1.2.3 Распространенность

Интенсивность грозовой деятельности в различных климатических районах различается очень сильно. Как правило, количество гроз в течение года минимально в северных районах и постепенно увеличивается к югу, где повышенная влажность воздуха и высокая температура способствуют образованию грозовых облаков. Однако эта тенденция соблюдается не всегда. Существуют очаги грозовой деятельности и в средних широтах (например, в районе Киева), где создаются благоприятные условия для формирования местных гроз.

Интенсивность грозовой деятельности принято характеризовать числом грозовых дней в году или общей годовой продолжительностью гроз в часах. Последняя характеристика более правильна, так как число ударов молнии в землю зависит не от числа гроз, а от их общей продолжительности.

Число грозовых дней или часов в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций, обобщение которых позволяет составить карты грозовой деятельности, на которые наносятся линии равной продолжительности гроз — изокеранические линии. Средняя продолжительность гроз за один грозовой день для территории европейской части России и Украины 1,5−2 ч.

Рисунок 9. Пример карты среднегодовой продолжительности гроз

По имеющимся данным, в районах с числом грозовых часов в году р = 30 на 1 км² поверхности земли в среднем поражается 1 раз в 2 года, т. е. среднее число разрядов молнии в 1 км² поверхности земли за 1 грозовой час равно 0,067. Эти данные, позволяющие оценить частоту поражения молнией различных объектов.

1.2.4 Угрозы, порождаемые молниями

Прямое попадание молнии в сооружение приводит к неконтролируемому растеканию заряда по его конструкции, что свою очередь грозит пожаром из-за разогрева материалов и опасного искрения. Риск возгорания сохраняется и в том случае, если разряд происходит рядом с объектом — ток может пойти в здание по электропроводам, а также по проводящим подземным коммуникациям (в том числе по газопроводу).

Отдельного внимания требует отрицательное влияние молнии на электрооборудование. Импульс высокого напряжения способен вывести из строя множество приборов. Крайне опасно попадание молнии в воздушную линию электропередач. Силовые кабели, расположенные на пути растекающегося по грунту заряда, тоже могут стать проводником тока, разрушающего все подключенные к сети устройства. В большинстве случаев грозовой разряд создает мощное электромагнитное излучение, которое порождает в проводниках импульсное перенапряжение — микросекундный скачок напряжения с пиковым значением в несколько киловольт, что приводит к большим убыткам.

К импульсным перенапряжениям наиболее чувствительна электронная аппаратура: компьютеры, офисная техника, аудио-, видеосистемы и т. д. К сожалению, в данном случае оказываются совершенно бесполезными «традиционные» устройства, предохраняющие оборудование от повышенных токов и напряжений (автоматы, стабилизаторы напряжения и т. п.), т. к. они не успевают сработать.

1.2.5 Система прогноза, предупреждения и защиты

Площадь возможного поражения определяется в соответствии с габаритами здания.

Плотность N_g вероятных ударов молний на 1 км² в год определяется, согласно СО-153−34.21.122 — 2003, по следующей формуле:

N_g = (6,7 x T_d)/100, (1)

где T_d — среднегодовая продолжительность гроз, ч. Значение принимают равным среднему по карте грозовой активности, в интервале между двумя ближайшими кривыми, вдоль которых эта величина постоянна.

Риск поражения постройки молнией (без учета экранирования объекта другими, более высокими сооружениями) равен произведению площади объекта на плотность вероятных ударов молний.

По существующим нормативным документам молниезащитная система для жилых зданий высотой до 60 м предусматривает четыре уровня надежности, от 80% (IV уровень защиты) до 98% (I уровень). Речь в данном случае идет о предельно допустимых вероятностях срабатывания защиты при попадании молнии в объект. Для молниезащиты специальных и опасных объектов система молниезащиты может быть расширена и гарантировать защиту вплоть до 99,9%. Но абсолютно полной гарантии безопасности от молний быть не может.

1.2.5.1 Внешние системы молниезащиты

Внешняя молниезащита предохраняет объект от прямого удара. Она «оттягивает» разряд на себя и препровождает его в землю. В простейшем исполнении внешняя защита от молний выглядит как мачта, расположенная на некотором удалении от дома (и выше его, разумеется). Такие устройства принято называть громоотводами.

В общем случае любая система внешней молниезащиты состоит из трех частей: молниеприемника, токоотводов и заземлителей.

Молниеприемник улавливает молнии, токоотводы служат каналом для доставки разряда к заземлителям, а заземлители рассредоточивают заряд по грунту.

1.2.5.2 Внутренняя система молниезащиты

Даже при наличии внешней молниезащиты в случае прямого или близкого удара молнии часть ее тока попадает внутрь здания по трубам и кабелям. При этом на них образуется опасный потенциал, который чреват искрениями и может привести к пожару или поражению людей. Для борьбы с этой опасностью все протяженные проводящие конструкции подключают к заземлению.

Рисунок 10. Зоны внутренней система молниезащиты

ГРЩ — главный распределительный щит; ГЗШ — главная заземляющая шина; КЭ — конечный электропотребитель; w — электрический счетчик

Более серьезную и сложную проблему представляет безопасность электрооборудования. Поэтому используют установку устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Рисунок 11. Схема установки УЗИП в TN-S сеть 220/380 В

A, B, C — фазы; N — нейтраль; PE — заземление; F — вводный автомат защиты в главном распределительном щите

1.3 Град

1.3.1 Определение

Град — атмосферные осадки в виде частичек льда круглой или неправильной формы (градин) размером 5−55 мм. Град выпадает в теплое время года из мощных кучево-дождевых облаков, сильно развитых вверх, обычно при ливнях и грозах.

1.3.2 Механизм развития

Рисунок 12. Схема образования града

Поднимающийся от земной поверхности в жаркий летний день теплый воздух охлаждается с высотой, а содержащаяся в нем влага конденсируется, образуется облако. Минуя на некоторой высоте нулевую изотерму, мельчайшие капли воды становятся переохлажденными. Переохлажденные капли в облаках встречаются даже при температуре — 40° (высота примерно 8 — 10 км). Но эти капли очень нестабильны. Поднятые с земной поверхности мельчайшие частицы песка, соли, продукты сгорания и даже бактерии при столкновении с переохлажденными каплями нарушают хрупкий баланс. Переохлажденные капли, вступившие в контакт с твердыми ядрами конденсации, превращаются в ледяной зародыш градины.

Мелкие градины существуют в верхней половине почти каждого кучево-дождевого облака, но чаще всего такие градины при падении к земной поверхности тают. Так, если скорость восходящих потоков в кучево-дождевом облаке достигает 40 км/час, то они не в силах удержать зародившиеся градины, поэтому, проходя сквозь теплый слой воздуха между нулевой изотермой (в среднем высота от 2,4 до 3,6 км) и земной поверхностью, они выпадают из облака в виде мелкого «мягкого» града, либо и вовсе в виде дождя. В противном случае восходящие потоки воздуха поднимают мелкие градины до слоев воздуха с температурой от -10 до -40 градусов (высота между 3 и 9 км), диаметр градин начинает расти, достигая порой диаметра нескольких сантиметров. Стоит отметить, что в исключительных случаях скорость восходящих и нисходящих потоков в облаке может достигать 300 км/час! А чем выше скорость восходящих потоков в кучево-дождевом облаке, тем крупнее град. Для образования градины размером с шар для гольфа потребуются более 10 миллиардов переохлажденных капель воды, а сама градина должна оставаться в облаке как минимум 5 — 10 минут, чтобы достичь столь крупного размера. Градины диаметром более 5 см встречаются в суперячейковых кучево-дождевых облаках, в которых наблюдаются очень мощные восходящие воздушные потоки. Именно суперячейковые грозы порождают смерчи (торнадо), сильные ливни и интенсивные шквалы.

Когда градина достигает такой массы, что восходящий поток не в силах ее удержать, она устремляется к поверхности земли, и мы наблюдаем выпадение крупного града. Так, скорость падения градины диаметров 4 см может достигать 100 км/час, а более крупные градины устремляются к земле со скоростью 160 км/час. В среднем 40 — 70% образовавшихся градин так и не достигают поверхности земли, тая в теплом воздухе.

Площадь зоны градобитий может меняться от одного гектара до нескольких десятков километров. Зоны градобитий соответствуют линии шквала.

При наблюдении града, аккуратно разрезав градину, вы заметите, что матовые слои льда будут чередоваться в виде колец со слоями прозрачного льда. Таким образом, по количеству таких колец можно определить сколько раз градина была поднята восходящими потоками воздуха в облаке. За считанные минуты град покрывает землю ледяными шариками слоем 5−7 см.

1.3.3 Система прогноза, предупреждения и защиты

Расчеты и эксперименты метеорологов и физиков показали, что град зарождается в сравнительно небольшой (20−30 кубических километров), так называемой крупнокапельной зоне облака, и именно на нее надо оказать «нажим».

Самый эффективный способ — искусственно создать большое количество зародышей града. Каждый «новорожденный» будет перехватывать капельки переохлажденной воды, а запасы ее в облаке ограничены. Каждый из зародышей препятствует росту другого, поэтому градины получаются небольшие. Такой град, выпадая на землю, не принесет серьезного урона, а очень возможно, что вместо града пройдет ливень.

Искусственные зародыши града создаются, когда в переохлажденную часть облака вносят сухую углекислоту или йодистое серебро, свинец. Один грамм создает 10¹² (триллион) ледяных кристаллов.

Трудность состоит в том, чтобы определить градовую зону в облаке и вовремя распылить там реагенты.

Радиолокаторы обнаруживают градовое облако почти за 40 км до защищаемых территорий. Градовые облака развиваются очень быстро. Весь процесс образования града занимает 30−40 минут, поэтому воздействовать на облако надо не позже чем через 15−20 минут после начала его бурного развития. Уточняют координаты крупнокапельной зоны и пускают в ход зенитные орудия, снабженные специальными снарядами, или ракетами.

Большая противоградовая ракета «Облако» несет примерно 3 кг специального реагента. В голове и хвосте ракеты дистанционные механизмы, которые на необходимой высоте и на определенном участке траектории полета ракеты воспламеняют пиросостав и выбрасывают парашют. Ракета спускается на парашюте, выделяя дым, содержащий мельчайшие частички йодистого свинца. Полет ракеты проходит через переохлажденные части облака, где на частицах аэрозоля образуются мириады ледяных кристаллов. Они и становятся искусственными зародышами градин.

Такая ракета совершенно безопасна, что позволяет вести работы в густонаселенной местности. Дальность действия «Облака» — 10 км.

1.3.4 Правила поведения

1. Если вы находитесь в автомобиле, то держитесь дальше от стекол, желательно развернуться к ним спиной (лицом к центру салона) и прикрыть глаза руками или одеждой. Если с вами оказались маленькие дети, то их необходимо закрыть своим телом и также прикрыть глаза либо одеждой, либо рукой. Лучше всего лечь на пол (если позволяют габариты салона).

2. Если вы перемещаетесь на автомобиле, то прекратите движение. Однако предварительно осмотритесь (если позволяет видимость), нет ли поблизости укрытия (мосты, эстакады, гаражи, крытые стоянки). Если поблизости нет подходящего укрытия, то убедитесь, что вы не находитесь посреди проезжей части, и, по возможности, прижмитесь ближе к ее краю. Однако следует учитывать, что съезд на обочину (особенно в низину) опасен, т. к. ее может размыть при интенсивных осадках и возможном подтоплении. Также не въезжайте в места скопления градин, т. к. ваш автомобиль может также потерять управляемость. Ни в коем случае не покидайте во время града автомобиль! Помните, что средняя продолжительность града составляет примерно 6 минут, и очень редко он продолжается дольше 15 минут.

3. Если град застал вас в помещении, то держитесь как можно дальше от окон и не выходите из дома. Не пользуйтесь электроприборами, т. к. град обычно сопровождается грозовой деятельностью.

4. Если град застал вас на улице, то постарайтесь выбрать укрытие. В противном случае защитите голову от ударов градин. Не заходите в низины, которые в считанные минуты могут наполниться водой и превратиться в стремительный поток, или в места с наибольшим скоплением градин, где их слой явно толще, чем вокруг.

5. Не пытайтесь найти укрытие под деревьями, т. к. велик риск не только попадания в них молний, но и то, что крупные градины могут ломать ветви деревьев, что может нанести вам дополнительные повреждения.

6. Если вы или кто-то рядом пострадал от воздействия крупных градин. Обязательно свяжитесь со службой спасения, при этом укажите примерный размер градин.

2. Расчетная часть

Все расчеты производятся согласно Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций

(утв. приказом Минэнерго РФ от 30 июня 2003 г. № 280).

Предприятия энергетического комплекса можно отнести к объектам с ограниченной опасностью (табл. 1)

При строительстве и реконструкции для каждого класса объектов требуется определить необходимые уровни надежности защиты от прямых ударов молнии (ПУМ).

Для специальных объектов минимально допустимый уровень надежности защиты от ПУМ устанавливается в пределах 0,9 — 0,999.

Уровень защиты от ПУМ возьмем первый. Ему соответствует надежность защиты от ПУМ, равная 0,99.

Для каждого уровня молниезащиты должны быть определены предельно допустимые параметры тока молнии. Данные, приведенные в нормативе, относятся к нисходящим и восходящим молниям.

Параметры тока молнии следующие (табл. 2):

1. Пиковое значение тока I, 200 кА

2. Полный заряд Q_полн, 300 Кл

3. Заряд в импульсе Q_имп, 100 Кл

4. Удельная энергия W/R, 10 000 кДж / Ом

5. Средняя крутизна di/dt₃₀/90%, 200 кА/мкс

Плотность ударов молнии в землю определяется следующей формулой

(2)

где N_g — плотность ударов молнии в землю;

T_d — средняя продолжительность гроз в часах, определенная по региональным картам интенсивности грозовой деятельности.

Параметры первого импульса тока молний (табл. 3):

1. Максимум тока I, 200 кА

2. Длительность фронта T₁, 10 мкс

3. Время полуспада Т₂, 350 мкс

4. Заряд в импульсе Q_сум, 100 Кл

5. Удельная энергия в импульсе W/R, 10 МДж / Ом

Параметры последовательного импульса тока молний (табл. 4)

1. Максимум тока I, 50 кА

2. Длительность фронта Т₁, 0,25 мкс

3. Время полуспада Т₂, 100 мкс

4. Средняя крутизна а, 200 кА/мкс

Параметры длительного тока молнии в промежутке между импульсами (табл. 5):

1. Заряд Q_дл, 200 Кл

2. Длительность Т, 0,5 с

Форма импульсов тока определяется следующей формулой

(3)

где I — максимум тока;

h — коэффициент, корректирующий значение максимума тока;

t — время;

ф₁ — постоянная времени для фронта;

ф₂ — постоянная времени для спада.

Параметры для расчета формы импульса тока молнии (табл. 6):

1. для первого импульса

I = 200 кА; h = 0,93; ф₁ = 19,0 мкс; ф₂ = 485 мкс

i (t) = - 0,5 Кл/с

2. для последующего импульса

I = 50 кА; h = 0,993; ф₁ = 0,454 мкс; ф₂ = 143 мкс

i (t) = - 0, 18 Кл/с

3. Длительный импульс может быть принят прямоугольным со средним током I и длительностью Т, соответствующими данным табл. 5. Средний ток приблизительно равен

2.1 Комплекс средств молниезащиты

Комплекс средств молниезащиты зданий или сооружений включает в себя устройства защиты от прямых ударов молнии (внешняя молниезащитная система — МЗС) и устройства защиты от вторичных воздействий молнии (внутренняя МЗС). В частных случаях молниезащита может содержать только внешние или только внутренние устройства. В общем случае часть токов молнии протекает по элементам внутренней молниезащиты.

Внешняя МЗС может быть изолирована от сооружения (отдельно стоящие молниеотводы — стержневые или тросовые, а также соседние сооружения, выполняющие функции естественных молниеотводов) или может быть установлена на защищаемом сооружении и даже быть его частью.

Внутренние устройства молниезащиты предназначены для ограничения электромагнитных воздействий тока молнии и предотвращения искрений внутри защищаемого объекта.

Токи молнии, попадающие в молниеприемники, отводятся в заземлитель через систему токоотводов (спусков) и растекаются в земле.

2.1.1 Внешняя молниезащитная система

Внешняя МЗС в общем случае состоит из молниеприемников, токоотводов и заземлителей. В случае специального изготовления их материал и сечения должны удовлетворять требованиям табл. 7.

Выбор типа и высоты молниеотводов производится исходя из значений требуемой надежности Р_з. Объект считается защищенным, если совокупность всех его молниеотводов обеспечивает надежность защиты не менее Р_з.

Во всех случаях система защиты от прямых ударов молнии выбирается так, чтобы максимально использовались естественные молниеотводы, а если обеспечиваемая ими защищенность недостаточна — в комбинации со специально установленными молниеотводами.

2.1.1.1 Зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода

Стандартной зоной защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h является круговой конус высотой h₀ < h, вершина которого совпадает с вертикальной осью молниеотвода (рис. 13). Габариты зоны определяются двумя параметрами: высотой конуса h₀ и радиусом конуса на уровне земли r₀.

Приведенные ниже расчетные формулы (табл. 14) пригодны для молниеотводов высотой до 150 м.

Рисунок 13. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

Для зоны защиты требуемой надежности (рис. 13) радиус горизонтального сечения r_х на высоте h_x определяется по формуле:

(4)

Расчет зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода (табл. 8)

Р_з = 0,99; h = 150 м; h_x = 100 м

h₀ = (0,8 — 10^-3 (h — 100))*h = (0,8 — 10^-3 *50)*150 = 112,5 м

r₀ = 0,7 h = 0,7*150 = 105 м

r_x = 105*(112,5 — 100)/112,5 = 11,7 м²

2.1.1.2 Зоны защиты одиночного тросового молниеотвода

Стандартные зоны защиты одиночного тросового молниеотвода высотой h ограничены симметричными двускатными поверхностями, образующими в вертикальном сечении равнобедренный треугольник с вершиной на высоте h_{0 0} (рис. 14).

Приведенные ниже расчетные формулы (табл. 9) пригодны для молниеотводов высотой до 150 м.

Полуширина r_x зоны защиты требуемой надежности (рис. 8) на высоте h_x от поверхности земли определяется выражением:

(5)

2.1.1.3 Зоны защиты двойного стержневого молниеотвода

Молниеотвод считается двойным, когда расстояние между стержневыми молниеприемниками L не превышает предельной величины L_max. В противном случае оба молниеотвода рассматриваются как одиночные.

Конфигурация вертикальных и горизонтальных сечений стандартных зон защиты двойного стержневого молниеотвода (высотой h и расстоянием L между молниеотводами) представлена на рисунке 15. Построение внешних областей зон двойного молниеотвода (полуконусов с габаритами h₀, r₀) производится по формулам табл. 8 для одиночных стержневых молниеотводов. Размеры внутренних областей определяются параметрами h₀ и h_c, первый из которых задает максимальную высоту зоны непосредственно у молниеотводов, а второй — минимальную высоту зоны посередине между молниеотводами. При расстоянии между молниеотводами L? L_c граница зоны не имеет провеса (h_c = h₀). Для расстояний L_c? L? L_max высота h_c определяется по выражению

(6)

Входящие в него предельные расстояния L_max и L_c вычисляются по эмпирическим формулам табл. 10, пригодным для молниеотводов высотой до 150 м. При большей высоте молниеотводов следует пользоваться специальным программным обеспечением.

Размеры горизонтальных сечений зоны вычисляются по следующим формулам, общим для всех уровней надежности защиты:

максимальная полуширина зоны r_x в горизонтальном сечении на высоте h_x:

(7)

длина горизонтального сечения L_x на высоте h_x? h_c:

(8)

причем при h_x < h_c L_x = L/2; ширина горизонтального сечения в центре между молниеотводами 2rcx на высоте h_x? h_c:

(10)

2.1.1.4 Зоны защиты двойного тросового молниеотвода

Молниеотвод считается двойным, когда расстояние между тросами L не превышает предельной величины L_max. В противном случае оба молниеотвода рассматриваются как одиночные.

Конфигурация вертикальных и горизонтальных сечений стандартных зон защиты двойного тросового молниеотвода (высотой h и расстоянием между тросами L) представлена на рис. 16. Построение внешних областей зон (двух односкатных поверхностей с габаритами h₀, r₀) производится по формулам табл. 9 для одиночных тросовых молниеотводов.

Размеры внутренних областей определяются параметрами h₀ и h_с, первый из которых задает максимальную высоту зоны непосредственно у тросов, а второй — минимальную высоту зоны посередине между тросами. При расстоянии между тросами L? L_c граница зоны не имеет провеса (h_с = h₀). Для расстояний L_c ?L? L_max высота h определяется по выражению

(11)

Входящие в него предельные расстояния L_max и L_c вычисляются по эмпирическим формулам табл. 11, пригодным для тросов с высотой подвеса до 150 м. При большей высоте молниеотводов следует пользоваться специальным программным обеспечением.

Длина горизонтального сечения зоны защиты на высоте h_x определяется по формулам:

при, (12)

при, (13)

Для расширения защищаемого объема на зону двойного тросового молниеотвода может быть наложена зона защиты опор, несущих тросы, которая строится как зона двойного стержневого молниеотвода, если расстояние L между опорами меньше L_max, вычисленного по формулам табл. 10. В противном случае опоры должны рассматриваться как одиночные стержневые молниеотводы.

Когда тросы непараллельны или разновысоки, либо их высота изменяется по длине пролета, для оценки надежности их защиты следует воспользоваться специальным программным обеспечением. Также рекомендуется поступать при больших провесах тросов в пролете, чтобы избежать излишних запасов по надежности защиты.

2.1.1.5 Зоны защиты замкнутого тросового молниеотвода

Расчетные формулы данного подраздела могут использоваться для определения высоты подвеса замкнутого тросового молниеотвода, предназначенного для защиты с требуемой надежностью объектов высотой h₀ < 30 м, размещенных на прямоугольной площадке площадью S₀ во внутреннем объеме зоны при минимальном горизонтальном смещении между молниеотводом и объектом, равном D (рис. 17). Под высотой подвеса троса подразумевается минимальное расстояние от троса до поверхности земли с учетом возможных провесов в летний сезон.

Для расчета h используется выражение:

(14)

в котором константы, А и В определяются в зависимости от уровня надежности защиты по следующим формулам:

а) надежность защиты Рз = 0,99

(15)

(16)

Расчетные соотношения справедливы, когда D > 5 м. Работа с меньшими горизонтальными смещениями троса нецелесообразна из-за высокой вероятности обратных перекрытий молнии с троса на защищаемый объект. По экономическим соображениям замкнутые тросовые молниеотводы не рекомендуются, когда требуемая надежность защиты меньше 0,99.

Если высота объекта превышает 30 м, высота замкнутого тросового молниеотвода определяется с помощью программного обеспечения. Также следует поступать для замкнутого контура сложной формы.

После выбора высоты молниеотводов по их зонам защиты рекомендуется проверить фактическую вероятность прорыва компьютерными средствами, а в случае большого запаса по надежности провести корректировку, задавая меньшую высоту молниеотводов.

2.1.2 Защита от вторичных воздействий молнии

Пространство, в котором расположены электрические и электронные системы, должно быть разделено на зоны различной степени защиты. Зоны характеризуются существенным изменением электромагнитных параметров на границах. В общем случае, чем выше номер зоны, тем меньше значения параметров электромагнитных полей, токов и напряжений в пространстве зоны.

Зона 0 — зона, где каждый объект подвержен прямому удару молнии, и поэтому через него может протекать полный ток молнии. В этой области электромагнитное поле имеет максимальное значение.

Зона 0_Е — зона, где объекты не подвержены прямому удару молнии, но электромагнитное поле не ослаблено и также имеет максимальное значение.

Зона 1 — зона, где объекты не подвержены прямому удару молнии, и ток во всех проводящих элементах внутри зоны меньше, чем в зоне 0_Е; в этой зоне электромагнитное поле может быть ослаблено экранированием.

Общие принципы разделения защищаемого пространства на зоны молниезащиты показаны на рис. 18.

На границах зон должны осуществляться меры по экранированию и соединению всех пересекающих границу металлических элементов и коммуникаций.