Protección contra rayos de edificios e instalaciones
La descarga de rayos de la electricidad atmosférica puede provocar daños en el aislamiento, accidentes en las instalaciones eléctricas, accidentes con las personas y destrucción de edificios y estructuras.
La aparición del relámpago
Cuando el sol calienta la superficie terrestre, surgen corrientes de aire ascendentes saturadas de vapor de agua. Las partículas de agua más pequeñas tienen carga negativa, las más grandes tienen carga positiva.
Bajo la influencia del viento y la gravedad, se produce una separación de partículas con carga opuesta. Las partículas de agua en las nubes que se elevan a una altura de más de 5 km se congelan y colapsan. Los cristales con carga positiva se encuentran en la parte superior de la nube, a una altura de 5 a 7 km, con carga negativa, a una altura de 2 a 5 km. Como resultado de la separación de cargas en las nubes, se forman las llamadas. Las cargas espaciales y las diferentes partes de la nube tormentosa tienen diferentes valores y signos de carga. Las cargas del fondo de la nube provocan cargas de signo opuesto en el suelo.
Entre las nubes y el suelo, así como entre diferentes partes de la nube o entre diferentes nubes, surgen campos de alta intensidad, varias decenas de miles de voltios por centímetro. Con una intensidad de campo de aproximadamente 30 kV / cm, se produce la ionización del aire, comienza un avance: la llamada descarga líder (un canal débilmente brillante con un diámetro de 10–20 m), que se mueve a una velocidad promedio de 200– 300 km / seg.
Bajo la acción del campo, las cargas en el suelo, en áreas con mayor conductividad (lugares húmedos, capas conductoras de electricidad, etc.) o con objetos altos (colinas, chimeneas, torres de agua, postes, líneas eléctricas, árboles, edificios independientes en el llano, etc.) — muévase hacia el conductor.
El conductor se dirige al objeto en relación al cual la tensión del campo eléctrico es mayor y entonces se produce una potente contradescarga, propagándose a una velocidad comparable a la de la luz (Fig. 1). Además, en menos de una diezmilésima de segundo, una corriente que alcanza cientos de miles de amperios pasa a través de la estructura afectada, bajo cuya influencia el plasma se calienta hasta varias decenas de miles de grados y comienza a brillar intensamente.
El efecto de luz de la eyección se percibe como un rayo, y la expansión explosiva del aire en el canal de escape produce un efecto de sonido: un trueno.
Arroz. 1. Esquema del proceso de electrificación de una nube tormentosa y el desarrollo de la descarga de un rayo hacia un objeto terrestre.
Las mediciones muestran que aproximadamente 3/4 de las descargas se originan en las partes de la nube con carga negativa y 1/4 de las descargas en las áreas con carga positiva. Después de la primera, pueden aparecer varias descargas consecutivas más.
Las descargas de rayos se caracterizan por los siguientes parámetros:
• amplitud de la corriente — la corriente observada con mayor frecuencia es de 10 a 30 kA, en el 5 a 6 % de las mediciones la corriente alcanza los 100 a 200 kA;
• longitud del frente de onda — la duración del aumento de la corriente del rayo a su valor máximo (normalmente 1,5-2 μs).
Con mucha menos frecuencia, se observa un rayo en bola, que es una bola de plasma brillante con un diámetro de hasta medio metro, que se mueve lentamente bajo la influencia de las corrientes de aire en la superficie de la tierra. Los rayos en bola penetran en los edificios a través de chimeneas, ventanas y puertas.
Si un rayo en bola toca un organismo vivo, se producen lesiones mortales, se producen quemaduras graves y, al entrar en contacto con estructuras, se producen explosiones y destrucción mecánica de objetos. La naturaleza de los rayos esféricos aún no se comprende bien.
Impacto de rayos en edificios y estructuras
La caída directa de un rayo provoca la división de los soportes, el derretimiento de las estructuras, la ignición y la explosión, la destrucción mecánica, el calentamiento inaceptable de las estructuras metálicas debido al rayo que pasa a través de ellas hacia el suelo. Según los datos operativos, los rayos queman láminas de metal con un espesor de 4 mm.
La inducción electrostática se manifiesta en la creación de un alto potencial en estructuras metálicas aisladas y cables, lo que lleva a la destrucción del suelo, lo que a su vez puede causar descargas eléctricas a las personas, ignición y explosión de mezclas explosivas, así como daños a la aislamiento en instalaciones eléctricas.
La inducción electromagnética se manifiesta en la inducción durante la descarga de corriente sobre estructuras metálicas expandidas y comunicaciones (vigas, rieles, tuberías, etc.), aisladas entre sí y del suelo, que pueden provocar una chispa o un arco.
En el caso de la descarga de un rayo, también se introducen altos potenciales a lo largo de las comunicaciones y las estructuras de tierra externas.
Los edificios e instalaciones, en función de su destino y de la intensidad de la actividad del rayo en la zona de su ubicación, deben protegerse de los daños por rayo o efectos secundarios producidos por la descarga del rayo.
El territorio desde los Urales hasta Krasnoyarsk y al sur de Krasnoyarsk, desde Krasnoyarsk hasta Khabarovsk, pertenece a áreas con una duración promedio de actividad tormentosa de 40 a 60 horas. En la región al norte de Krasnoyarsk, desde Krasnoyarsk hasta Nikolaevsk-on-Amur, la duración media de la actividad tormentosa es de 20 a 40 horas. Se observa un aumento de la actividad de tormentas eléctricas de 60 a 80 horas por año en las regiones del Alto Altai (Biysk-Gorno-Altaysk-Ust-Kamenogorsk). La protección contra rayos de edificios y estructuras debe llevarse a cabo de acuerdo con los proyectos desarrollados por organizaciones especializadas.
Protección contra impactos directos de rayos. Área de cobertura de pararrayos
La acción de los dispositivos de protección contra rayos consiste en el hecho de que un pararrayos metálico que se eleva sobre él se instala cerca del objeto protegido, conectado de manera confiable a tierra. Cuando ocurre una descarga de rayo, el conductor que se precipita hacia el suelo se acerca al punto más alto de mayor conductividad (la parte superior del pararrayos puesto a tierra sirve como tal punto) y la descarga se produce en el pararrayos, sin pasar por el objeto protegido.
La zona de protección de un pararrayos monovarilla de altura h es un cono de 0,92 h de altura con base en forma de círculo de 1,5 h de radio (Fig. 2).
Todas las estructuras que encajen en el cono estarán protegidas del impacto directo del rayo con una fiabilidad de al menos el 95% (Zona B).En el interior de un cono con una altura de 0,85 horas y un radio base de 1,1 horas, la fiabilidad de la protección es del 99,5 %. (Zona A).
Arroz. 2. Zonas de protección contra rayos de un solo bastón. A — zona de protección con 99,5% de confiabilidad; B — zona de protección con 95% de confiabilidad; 1 — pararrayos; 2 — objeto protegido.
Si el área del sitio es más grande que el área protegida, es necesario aumentar la altura del pararrayos o instalar varios pararrayos.
Protección contra los efectos secundarios del rayo
La principal medida para combatir la aparición de altos potenciales en edificios o estructuras debido a la inducción electrostática durante las descargas atmosféricas es la puesta a tierra de todos los elementos conductores del edificio.
Para quitar la influencia inducción electromagnética en elementos metálicos alargados (tuberías, estructuras metálicas, etc.), estos últimos están conectados de manera confiable con puentes metálicos.
Con el fin de eliminar la transferencia de altos potenciales a través de comunicaciones aéreas y subterráneas, las entradas de las redes de energía, radio, señalización y comunicación se implementan mediante limitadores de cable y válvula (por ejemplo, RVN-0.5) y vías de chispas, que se activan cuando el Se instalan subidas de tensión.