Защита от атмосферного электричества. Охрана труда

Статическое электричество

СтЭ (статическое электричество) – совокупность явлений, связанных с образованием, сохранением и релаксацией электрических зарядов на поверхности и в объеме диэлектрических и полупроводниковых материалов и изделий.

Заряды СтЭ образуются при деформации (изгибе, растяжении, резании,….) и дроблении твердых тел, при разбрызгивании и истечении жидкостей, при перемещении (трении) твердых тел, слоев сыпучих и жидких тел, при испарении, кристаллизации, при облучении, при химических реакциях.

Заряды СтЭ образуются при перераспределении заряженных (электронов) частиц в телах. Обычно атомы химических элементов и тела являются электрически нейтральными.

Заряды СтЭ возникают при передаче телу избыточной энергии (любым способом). Избыточная энергия вызывает нагрев тел. Остывая, они передают энергию окружающей среде: колебаниями атомов, электромагнитным излучением, эмиссией электронов, ионов и ионрадикалов.

Самая большая доля при передаче энергии при эмиссии электронов (до 90 % при теплопереносе в металлах). Обычно сопровождается излучением квантов электромагнитных излучений.

В строительстве в ходе выполнения дробления, деформации, трения сыпучих и твердых тел энергия преобразуется в избыточную тепловую. Эта работа сопровождается экзоэмиссией электронов с поверхности тел. Это явление – «эффект Крамера». При трении возникают встречные потоки электронов. Разность интенсивности встречных потоков вызывает электризацию тел.

Если тела выполнены из одного материала, то электризация не происходит, т.к. встречная потоки электронов полностью компенсируются.

Конечный результат электризации – образование двойного электрического слоя.

Электризации способствуют:

Увеличение силового взаимодействия

Увеличение скорости перемещения твердых, сыпучих и жидких тел

Увеличение различия в электросопротивлении

Двойной электрический слой – неустойчивое явление. Происходит постоянная релаксация зарядов:

Растекание зарядов по поверхности тела

Распределение в объеме

Стекание зарядов в воздух

Искровые разряды (наиболее эффективная форма релаксации)

Сохранение зарядов СтЭ зависит от объемного удельного электрического сопротивления материалов (r, Ом м):

при r>10 5 – материал является диэлектриком или полупроводником, способен долго хранить заряды (капрон r=10 12 Ом м).

Искровые разряды могут стать источником зажигания паро-, газо-, и пылевоздушных смесей.

Электрический заряд – q = Cj (Кл), где С – электрическая емкость тела относительно земли, j - потенциал тела (В) относительно земли. Ток электризации I=jn ср, где n ср - среднее число разрядов в секунду.

Энергия разряда: W = 0.5 C j 2 = 0.5 q j (Дж)

Минимальная энергия зажигания (W з) – наименьшее значение энергии электрического разряда, при которой происходит зажигание горючей смеси.

Электростатическая искробезопасность (ЭСИБ) считается обеспеченной, если в результате принятых мер, энергия разряда не превышает 0.25 W з.

Величина W з (мДж) для: бензина – 0.15, метана – 028, оксид углерода - 8, хлопковый пух – 10, древесная мука и алюминиевая пыль – 20.

В соответствии с ПУЭ (гл. 7) установлены взрывоопасные зоны классов: B-Ia, B-Iб, B-Iв, B-Iг, B-II, B-IIa. Это такие зоны помещения, оборудования и электроустановок, в которых могут образоваться взрывоопасные смеси газов, паров ЛВЖ, горючих пылей и волокон с воздухом (при нормальной работе или при аварии). Электризация может привести к разрядам, пожарам и взрывам.


Защита от статического электричества

Классическая схема мер защиты

1. Исключить опасность - исключить образование статического электричества или снизить его до безопасного уровня:

Изготовление контактирующих частей из материалов с близкими величинами электросопротивления;

Уменьшение силового воздействия;

Уменьшение скоростей (например, тормозные устройства для падающих сыпучих);

Нефтепродукты, бензолы легко электризуются. Поэтому ограничивается скорость истечения: 10 м/сек при r 5 Ом м, 5 м/сек при r 9 Ом м; нефтепродукты не допускается наливать свободно падающей струей, сливную трубу располагать у дна, не допускать интенсивного перемешивания;

2. Удаление от опасности: автоматизация и механизация производственных процессов, т.е. без участия человека

3. Ограждение опасности - мероприятие, направленные на быструю безразрядную релаксацию зарядов:

Заземление металлического и электропроводного оборудования, присоединение к заземлителю не менее чем в двух точках. Сопротивление не более 10 Ом;

– создание единой электрической цепи, обеспечение электропроводности во фланцах, покрытие пластиковых вставок электропроводящими материалами;

Добавление токопроводящих примесей;

Лакокрасочные токопроводящие покрытия;

Добавление в электризующиеся жидкости антистатических добавок (слабых электролитов)

Корпуса автоцистерн при перекачке топлива присоединяют к стационарному заземлителю, при движении – цепь;

Увеличение относительной влажности до 65…70 %. Эффективно, если материалы гидрофильны, т.е. способны образовать на поверхности тончайшую водяную пленку. Она экранирует эмиссию электронов и способствует релаксации;

Ионизация воздуха в зоне образования зарядов: Индукционные нейтрализаторы – создание электростатического поля высокой напряженности. С острия электродов-ионизаторов стекают потоки электронов, Радиоизотопные нейтрализаторы: a-излучение (положительно заряженные ядра атомов гелия, толщина слоя ионизации 40 мм) и b-излучение (электроны, слой ионизации - 400 мм);

4. Ограждение человека

Антистатическая одежда и обувь;

Токопроводящие полы и площадки;

Заземленные токопроводящая обивка стульев и электропроводные браслеты;

5. Организационные мероприятия: обучение, инструктаж, …


Атмосферное электричество. Молниезащита

Образуется в облаках – из мелких водяных частиц.

Солнечная энергия – 460 кДж на 1 см 2 в год поверхности Земли. 93 кДж/(см 2 год) на испарение воды из океанов. Водяной пар поднимается и конденсируется в водяную пыль с выделением теплоты (2260 кДж/л). Избыток энергии частично расходуется на эмиссию электронов с поверхности водяных капель. В основном эмитируют протоны и капельки воды из кристаллов льда. Протоны эмитируют из более крупных капель к более мелким.

Чистая вода – хороший диэлектрик. Заряды сохраняются долго. Тяжелые отрицательно заряженные капельки образуют нижний слой облаков. Мелкие легкие – верхний. Электростатическое притяжение разноименно заряженных частиц поддерживает сохранность облаков.

Эмиссия протонов возникает и при кристаллизации водяных частиц. Соударение кристаллов льда, снежинок, градин, ветер – приводит к избытку энергии и эмиссии протонов. Атмосферное электричество имеет ту же природу, что и статическое (например, грозы на крайнем севере во время сильных снегопадов или бурь, в облаках возникает сияние и вспышки, свечение, шаровые молнии). Иногда заряжаются провода.

По экспериментальным данным, нижняя часть облаков чаще всего имеет отрицательный заряд, верхняя – положительный, а бывают облака одного заряда.

Заряд облака образуют мельчайшие одноименно заряженные частицы воды. Электрический потенциал грозового облака составляет десятки миллионов вольт, может достигать и 1 млрд. вольт.

Основная форма релаксации – электрический разряд между облаками и между облаком и землей. Диаметр канала около 1 см, ток в канале десятки килоампер, температура 25000 о С, время разряда – доли секунды.

Первичное воздействие атмосферного электричества – прямой удар молнии – мощный поражающий фактор - механические разрушения зданий, сооружений, деревьев, пожары, взрывы, поражения людей,…. Причина – практически мгновенное превращение воды и веществ в зоне молниевого канала в пар и газ высокой температуры и высокого давления.

Вторичные воздействия атмосферного электричества:

- Электростатическая индукция – наведение заряда противоположного знака на предметах, изолированных от земли, от электростатического заряда облака, в поле которого находятся эти предметы. Индуцируется заряд противоположного знака на крышах, оборудовании, провода ЛЭП, … Заряды сохраняются и после разряда облака. Они могут релаксировать в виде искрового разряда на ближайшие заземленные предметы, и вызвать электротравматизм, взрыв или пожар.

- Электромагнитная индукция – в канале молнии протекает мощный, быстро меняющийся во времени ток, который создает вокруг себя изменяющееся электромагнитное поле. Это поле индуцирует в металлических контурах ЭДС и протекание тока, может вызвать искровой разряд … электротравматизм, взрыв или пожар.

- Занос высоких потенциалов – прямой удар молнии в металлоконструкции (рельсовые пути, водопроводы, газопроводы, провода ЛЭП, и т.д.), расположенные на уровне или над уровнем земли, но входящие в здание. Занесение высоких потенциалов в здание приводит к образованию разрядов на заземленное оборудование … электротравматизм, взрыв или пожар.


Защита от атмосферного электричества осуществляется в соответствии с «Инструкцией по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. СО 153-34.21.122-2003 » .

Все объекты могут подразделяться на обычные и специальные.

Обычные объекты - жилые и административные строения, а также здания и сооружения, высотой не более 60 м, предназначенные для торговли, промышленного производства, сельского хозяйства.

Специальные объекты :

объекты, представляющие опасность для непосредственного окружения;

объекты, представляющие опасность для социальной и физической окружающей среды (объекты, которые при поражении молнией могут вызвать вредные биологические, химические и радиоактивные выбросы);

прочие объекты, для которых может предусматриваться специальная молниезащита, например, строения высотой более 60 м, игровые площадки, временные сооружения, строящиеся объекты.

В табл. 2.1 даны примеры разделения объектов на четыре класса.

Примеры классификации объектов

Таблица 2.1

Тип объекта

Последствия удара молнии

Жилой дом

Отказ электроустановок, пожар и повреждение имущества. Обычно небольшое повреждение предметов, расположенных в месте удара молнии или задетых ее каналом

Первоначально - пожар и занос опасного напряжения, затем - потеря электропитания с риском гибели животных из-за отказа электронной системы управления вентиляцией, подачи корма и т. д.

Театр; школа; универмаг; спортивное сооружение

Отказ электроснабжения (например, освещения), способный вызвать панику. Отказ системы пожарной сигнализации, вызывающий задержку противопожарных мероприятий

Банк; страховая компания; коммерческий офис

Отказ электроснабжения (например, освещения), способный вызвать панику. Отказ системы пожарной сигнализации, вызывающий задержку противопожарных мероприятий. Потери средств связи, сбои компьютеров с потерей данных

Больница; детский сад; дом для престарелых

Отказ электроснабжения (например, освещения), способный вызвать панику. Отказ системы пожарной сигнализации, вызывающий задержку противопожарных мероприятий. Потери средств связи, сбои компьютеров с потерей данных. Необходимость помощи тяжелобольным и неподвижным людям

Промышленные предприятия

Дополнительные последствия, зависящие от условий производства - от незначительных повреждений до больших ущербов из-за потерь продукции

Музеи и археологические памятники

Невосполнимая потеря культурных ценностей

Специальный с ограниченной опасностью

Средства связи; электростанции; пожароопасные производства

Недопустимое нарушение коммунального обслуживания (телекоммуникаций). Косвенная опасность пожара для соседних объектов

Специальный, представляющий опасность для непосредственного окружения

Нефтеперерабатывающие предприятия; заправочные станции; производства петард и фейерверков

Пожары и взрывы внутри объекта и в непосредственной близости

Специальный, опасный для экологии

Химический завод; атомная электростанция; биохимические фабрики и лаборатории

Пожар и нарушение работы оборудования с вредными последствиями для окружающей среды

При строительстве и реконструкции для каждого класса объектов требуется определить необходимые уровни надежности защиты от прямых ударов молнии (ПУМ). Например, для обычных объектов может быть предложено четыре уровня надежности защиты, указанные в табл. 2.2.

Уровни защиты от ПУМ для обычных объектов

Таблица 2.2

Уровень защиты

Надежность защиты от ПУМ

Для специальных объектов минимально допустимый уровень надежности защиты от ПУМ устанавливается в пределах 0,9-0,999 в зависимости от степени его общественной значимости и тяжести ожидаемых последствий от ПУМ по согласованию с органами государственного контроля.

Соответствие параметров тока молнии и уровней защиты

Таблица 2.3

Параметр молнии

Уровень защиты

Пиковое значение тока I , кА

Полный заряд Q полн, Кл

Заряд в импульсе Q имп, Кл

Удельная энергия W /R , кДж/Ом

Средняя крутизна di /dt 30/90% , кА/мкс

2.3.3. Плотность ударов молнии в землю

Плотность ударов молнии в землю, выраженная через число поражений 1 км 2 земной поверхности за год, определяется по данным метеорологических наблюдений в месте размещения объекта.

Если же плотность ударов молнии в землю N g неизвестна, ее можно рассчитать по следующей формуле, 1/(км 2 × год):

N g = 6,7 × Т d /100, (2.1)

где Т d - средняя продолжительность гроз в часах, определенная по региональным картам интенсивности грозовой деятельности.


3. ЗАЩИТА ОТ ПРЯМЫХ УДАРОВ МОЛНИИ

3.1. 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).

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.

3.2. Внешняя молниезащитная система

Внешняя МЗС в общем случае состоит из молниеприемников, токоотводов и заземлителей.

Материал и минимальные сечения элементов внешней МЗС

Таблица 3.1

Уровень защиты

Материал

Сечение, мм 2

молниеприемника

токоотвода

заземлителя

Алюминий

Не применяется

3.2.1. Молниеприемники

Молниеприемники могут состоять из произвольной комбинации следующих элементов: стержней, натянутых проводов (тросов), сетчатых проводников (сеток).

3.2.1.2. Естественные молниеприемники

Следующие конструктивные элементы зданий и сооружений могут рассматриваться как естественные молниеприемники:

а) металлические кровли защищаемых объектов при условии, что:

электрическая непрерывность между разными частями обеспечена на долгий срок;

толщина металла кровли составляет не менее величины t , приведенной в табл. 3.2, если необходимо предохранить кровлю от повреждения или прожога;

толщина металла кровли составляет не менее 0,5 мм, если ее необязательно защищать от повреждений и нет опасности воспламенения находящихся под кровлей горючих материалов;

кровля не имеет изоляционного покрытия. При этом небольшой слой антикоррозионной краски или слой 0,5 мм асфальтового покрытия, или слой 1 мм пластикового покрытия не считается изоляцией;

б) металлические конструкции крыши (фермы, соединенная между собой стальная арматура);

в) металлические элементы типа водосточных труб, украшений, ограждений по краю крыши и т. п., если их сечение не меньше значений, предписанных для обычных молниеприемников;

г) технологические металлические трубы и резервуары, если они выполнены из металла толщиной не менее 2,5 мм и проплавление или прожог этого металла не приведет к опасным или недопустимым последствиям;

д) металлические трубы и резервуары, если они выполнены из металла толщиной не менее значения t , приведенного в табл. 3.2, и если повышение температуры с внутренней стороны объекта в точке удара молнии не представляет опасности.

Толщина кровли, трубы или корпуса резервуара, выполняющих функции естественного молниеприемника

Таблица 3.2

3.2.2. Токоотводы

3.2.2.1. Общие соображения

В целях снижения вероятности возникновения опасного искрения токоотводы должны располагаться таким образом, чтобы между точкой поражения и землей:

а) ток растекался по нескольким параллельным путям;

б) длина этих путей была ограничена до минимума.

3.2.2.2. Расположение токоотводов в устройствах молниезащиты, изолированных от защищаемого объекта

Если молниеприемник состоит из отдельно стоящих горизонтальных проводов (тросов) или из одного провода (троса), на каждый конец троса требуется минимум по одному токоотводу.

Если молниеприемник представляет собой сетчатую конструкцию, подвешенную над защищаемым объектом, на каждую ее опору требуется не менее одного токоотвода.

3.2.2.3. Расположение токоотводов при неизолированных устройствах молниезащиты

Токоотводы располагаются по периметру защищаемого объекта таким образом, чтобы среднее расстояние между ними было не меньше значений, приведенных в табл. 3.3.

Средние расстояния между токоотводами в зависимости от уровня защищенности

Таблица 3.3

Уровень защиты

Среднее расстояние, м

3.2.2.5. Естественные элементы токоотводов

Следующие конструктивные элементы зданий могут считаться естественными токоотводами:

а) металлические конструкции при условии, что:

электрическая непрерывность между разными элементами является долговечной и соответствует требованиям п. 3.2.4.2;

они имеют не меньшие размеры, чем требуются для специально предусмотренных токоотводов. Металлические конструкции могут иметь изоляционное покрытие;

б) металлический каркас здания или сооружения;

в) соединенная между собой стальная арматура здания или сооружения;

г) части фасада, профилированные элементы и опорные металлические конструкции фасада при условии, что их размеры соответствуют указаниям, относящимся к токоотводам, а их толщина составляет не менее 0,5 мм.

Металлическая арматура железобетонных строений считается обеспечивающей электрическую непрерывность, если она удовлетворяет следующим условиям:

примерно 50 % соединений вертикальных и горизонтальных стержней выполнены сваркой или имеют жесткую связь (болтовое крепление, вязка проволокой);

электрическая непрерывность обеспечена между стальной арматурой различных заранее заготовленных бетонных блоков и арматурой бетонных блоков, подготовленных на месте.

3.2.3. Заземлители

3.2.3.1. Общие соображения

Во всех случаях, за исключением использования отдельно стоящего молниеотвода, заземлитель молниезащиты следует совместить с заземлителями электроустановок и средств связи. Если эти заземлители должны быть разделены по каким-либо технологическим соображениям, их следует объединить в общую систему с помощью системы уравнивания потенциалов.

3.2.3.2. Специально прокладываемые заземляющие электроды

Целесообразно использовать следующие типы заземлителей: один или несколько контуров, вертикальные (или наклонные) электроды, радиально расходящиеся электроды или заземляющий контур, уложенный на дне котлована, заземляющие сетки.

Заземлитель в виде наружного контура предпочтительно прокладывать на глубине не менее 0,5 м от поверхности земли и на расстоянии не менее 1 м от стен. Заземляющие электроды должны располагаться на глубине не менее 0,5 м за пределами защищаемого объекта и быть как можно более равномерно распределенными; при этом надо стремиться свести к минимуму их взаимное экранирование.

3.2.3.3. Естественные заземляющие электроды

В качестве заземляющих электродов может использоваться соединенная между собой арматура железобетона или иные подземные металлические конструкции, отвечающие требованиям п. 3.2.2.5. Если арматура железобетона используется как заземляющие электроды, повышенные требования предъявляются к местам ее соединений, чтобы исключить механическое разрушение бетона. Если используется преднапряженный бетон, следует учесть возможные последствия протекания тока молнии, который может вызвать недопустимые механические нагрузки.

3.3.2. Типовые зоны защиты стержневых и тросовых молниеотводов

3.3.2.1. Зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода

Стандартной зоной защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h является круговой конус высотой h 0 h, вершина которого совпадает с вертикальной осью молниеотвода (рис. 3.1). Габариты зоны определяются двумя параметрами: высотой конуса h 0 и радиусом конуса на уровне земли r 0 .

Приведенные ниже расчетные формулы (табл. 3.4) пригодны для молниеотводов высотой до 150 м. При более высоких молниеотводах следует пользоваться специальной методикой расчета.

Рис. 3.1. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

Для зоны защиты требуемой надежности (рис. 3.1) радиус горизонтального сечения r x на высоте h x определяется по формуле:

Расчет зоны защиты одиночного стержневого молниеотвода

Таблица 3.4

Надежность защиты Р з

Высота молниеотвода h , м

Высота конуса h 0 , м

Радиус конуса r 0 , м

От 100 до 150

h

От 30 до 100

h

От 100 до 150

h

От 30 до 100

h

h

От 100 до 150

h

h

3.3.2.2. 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 h и основанием на уровне земли 2r 0 (рис. 3.2).

Приведенные ниже расчетные формулы (табл. 3.5) пригодны для молниеотводов высотой до 150 м. При большей высоте следует пользоваться специальным программным обеспечением. Здесь и далее под h понимается минимальная высота троса над уровнем земли (с учетом провеса).

Рис. 3.2. Зона защиты одиночного тросового молниеотвода:

L - расстояние между точками подвеса тросов

Полуширина r х зоны защиты требуемой надежности (рис. 3.2) на высоте h x от поверхности земли определяется выражением:

3.3.2.3. 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 рис. 3.3. Построение внешних областей зон двойного молниеотвода (полуконусов с габаритами h 0 , r 0) производится по формулам табл. 3.4 для одиночных стержневых молниеотводов. Размеры внутренних областей определяются параметрами h 0 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 = h 0). Для расстояний L c £ L ³ L max высота h c определяется по выражению

Входящие в него предельные расстояния L max и L c вычисляются по эмпирическим формулам табл. 3.6, 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 х в горизонтальном сечении на высоте h x :

Расчет зоны защиты одиночного тросового молниеотвода

Таблица 3.5

Надежность защиты р з

Высота молниеотвода h , м

Высота конуса h 0 , м

Радиус конуса r 0 , м

От 30 до 100

h

От 100 до 150

h

От 30 до 100

h

h

От 100 до 150

h

h

L max , м

L 0 , м

От 30 до 100

h

От 100 до 150

От 30 до 100

h

h

От 100 до 150

От 30 до 100

h

h

От 100 до 150

4. ЗАЩИТА ОТ ВТОРИЧНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ МОЛНИИ

4.2. Зоны защиты от воздействия 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.

Две пространственно разделенные зоны 1 с помощью экранированного соединения могут образовать общую зону (рис. 4.2).

Рис. 4.1. Зоны защиты от воздействия молнии:

1 - ЗОНА 0 (внешнее окружение); 2 - ЗОНА 1 (внутренняя электромагнитная обстановка);

3 - ЗОНА 2; 4 - ЗОНА 2 (обстановка внутри шкафа); 5 - ЗОНА 3

Рис. 4.2. Объединение двух зон

4.3. Экранирование

Экранирование является основным способом уменьшения электромагнитных помех.

Металлическая конструкция строительного сооружения используется или может быть использована в качестве экрана. Подобная экранная структура образуется, например, стальной арматурой крыши, стен, полов здания, а также металлическими деталями крыши, фасадов, стальными каркасами, решетками. Эта экранирующая структура образует электромагнитный экран с отверстиями (за счет окон, дверей, вентиляционных отверстий, шага сетки в арматуре, щелей в металлическом фасаде, отверстий для линий электроснабжения и т. п.). Для уменьшения влияния электромагнитных полей все металлические элементы объекта электрически объединяются и соединяются с системой молниезащиты (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Объединение металлических элементов объекта для уменьшения влияния электромагнитных полей:

1 - сварка на пересечениях проводов; 2 - массивная непрерывная дверная рама; 3 - сварка на каждом стержне

Статическое электричество и средства защиты от него

Статическое электричество возникает при трении восходящих тепловых слоев воздуха, трении воздушных масс.

Другой источник электризации атмосферы -- в космосе, за пределами однородной атмосферы. Потоки ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений от Солнца направляются к Земле. Они не равнозначны по плотности, интенсивности и энергии. Достигая, верхних слоев атмосферы, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения ионизируют атомы и молекулы атмосферы, превращая их из нейтральных в электрически заряженные. Кроме того, возникает множество иных заряженных элементарных частиц, обладающих различными энергиями. Плотность этих частиц и число их в единице объема различны.

На некотором расстоянии от Земли образуется сплошной объемный ионизированный слой, охватывающий Землю. Первый такой ионизированный стабильный слой охватывает Землю на высоте 110-120 км, он имеет относительно небольшую толщину и стабильные границы. Второй слой с переменной толщиной находится на высоте 180-300 км. Кроме этих постоянных электрически заряженных слоев имеются "плавающие", локально образующиеся области заряженных частиц. Ими то, в основном, и можно объяснить резко изменяющиеся значения поля в различных районах земного шара.

Магнитное поле окружающей человека среды складывается, в основном, из двух составляющих:

  • * магнитного поля Земли
  • * магнитных полей, создаваемых электрифицированным транспортом, работающими электродвигателями и генераторами, линиями электропередачи и т.д.

Именно созданная человеком электротехника чаще всего и оказывает вредное воздействие. По мере удаления от источника электромагнитное поле ослабевает. Поэтому одним из способов защиты является удаленное расположение источников сильных электромагнитных волн.

Другим способом защиты является снижение электромагнитного излучения самого источника путем совершенствования конструкции.

Но, пожалуй, самым распространенным на сегодняшний день способом защиты от действия электромагнитных полей является экранирование. Принцип его состоит в том, что объект защиты окружают со стороны действия электромагнитного поля материалом, который полностью или частично поглощает электромагнитные волны. Различные материалы по-разному препятствуют проникновению электромагнитных волн.

Бывает, что, наоборот, экранируют источник электромагнитных полей. Что именно экранировать определяется количеством и размерами источников электромагнитных полей и объектов защиты. Так, например, проще экранировать автомобильный радиоприемник, нежели сам автомобиль, и, напротив -- проще экранировать блок питания компьютера, нежели каждый каскад, подверженный влиянию электромагнитных полей, излучаемых блоком питания.

Лучше всего использовать для экранирования свинец или алюминий, так как они сильнее остальных поглощают электромагнитные поля.

Для защиты от статического электричества в помещениях два раза в день проводят влажную уборку и проветривание. При этом накопившиеся заряды выветриваются вместе с водяными парами. Однако в помещениях, где находятся проводники с высоким напряжением коэфициент влажности не должен превышать определенного значения, так как при нарушении изоляции проводников, находящегося поблизости человека может поразить электрическим током.

Статическое электричество может накапливаться не только на предметах, но и на самом человеке, особенно на одежде и волосяном покрове. Оно наносит вред функционированию нервной системы, всячески раздражает.

После принятия душа человек ощущает себя заметно легче. Частично это объясняется тем, что статическое электричество, накопившееся на теле за весь день, смывается водой.

Атмосферное электричество и средства защиты от него

Не только во время грозы в атмосфере существует электричество. Оно, вообще, присуще атмосфере и характеризует ее состояние. В начале XIX века экспериментально было обнаружено, что идеально изолированный от Земли заряженный проводник постепенно теряет свой заряд. Был установлен и закон потери заряда во времени. Позже это явление было объяснено. Оказывается, в окружающем нас воздухе есть зарядоносители -- заряженные ионы. Они-то и являются причиной того, что идеально изолированный от Земли заряженный проводник теряет свой заряд.

Зарядоносителями - ионами могут быть заряженные остатки атомов и молекул, которые делятся на легкие, средние и тяжелые ионы. Это микрочастицы водяного тумана, дождевые капли, мелкодисперсная пыль, микроорганизмы. В окружающей человека среде зарядоносители непрерывно передвигаются по всем направлениям. Наблюдение, проведенные у земной поверхности с помощью вольтметра с большим внутренним сопротивлением, показали, что градиент потенциала находится в пределах 120-150 В/м.

В результате экспериментальных наблюдений была установлена плотность электрических зарядов на поверхности Земли, равная 7*105 элементарных зарядов. Зная площадь поверхности Земли, несложно определить общий заряд Земли -- он равен 5*107 Кл. Количество электричества на поверхности Земли непрерывно меняется. Электрические заряды перемещаются с поверхности Земли в верхние слои атмосферы и наоборот -- из верхних слоев атмосферы стремятся к ее поверхности. Если перемещение электрических зарядов оценить значением тока, то этот ток составит в среднем 1500 А. Электрический ток, равный 1500 А, постоянно циркулирует между верхними слоями атмосферы и поверхностью нашей планеты. Поверхность Земли обладает отрицательным зарядом.

Токи проводимости, создаваемые ионами разной природы и разного знака, в целом движутся к Земле, неся положительный заряд. То же можно сказать и о макрозаряженных частицах, выпадающих в виде осадков -- дождя, снега.

Поверхность Земли неоднородна. Резко выраженную ее неоднородность создает человек, строя различные здания, заводские трубы и т.д. Во время грозы, а иногда и задолго до ее развития, когда напряженность электрического поля в атмосфере становится особенно большой (при бурях, снежных метелях, сильных ветрах), и происходят большие перемещения воздушных масс, можно видеть светящиеся заряды, возникающие на остриях, острых углах и иных предметах, возвышающихся над Землей. Эти разряды известны под названием огней Эльма. Чаще всего светящиеся разряды возникают в горах на острых выступах скал, вершинах деревьев, верхушках опор линий электропередачи. В низменных местах они замечены на молниеотводах, выступах зданий, мачтах кораблей, антеннах. В исключительных случаях светящиеся разряды наблюдаются и на животных, и на вытянутой руке человека. Их появление сопровождается потрескиванием продолжительностью от нескольких секунд до часов.

Подобные явления представляют собой различные формы коронного разряда, который образуется около светящегося предмета в виде своеобразной короны. Возникновение их обусловлено резким увеличением напряженности электрического поля, в 1000 раз превышающим средние значения 120-1250 В/м. Высокая напряженность поля уже при нормальном давлении вызывает ионизацию, сопровождающуюся появлением электронов. Электроны появляются вследствие вторичной ионизации, вызываемой ионами, находящимися в воздухе вблизи острия и разгоняемыми электрическим полем.

Статическое электричество или электризация – это комплекс физических и химических процессов, приводящих к разделению в пространстве зарядов противоположных знаков или к накоплению зарядов одного знака. Суть электризации заключается в том, что нейтральные тела, не проявляющие в нормальном состоянии электрических свойств, в условиях контакта (трения, измельчения и т.д.) становятся электрозаряженными.

Заряды могут возникнуть при измельчении, пе­ресыпании и пневмотранспортировке твердых материалов, при переливании, перекачивании по трубопроводам, перевозке в цистернах диэлек­трических жидкостей (бензина, керосина), при об­работке диэлектрических материалов (эбонита, оргстекла), при сматывании тканей, бумаги, пленки (например, полиэтиленовой). При пробуксовывании резиновой ленты транспортера относительно роликов или ремня ременной передачи относи­тельно шкива могут возникнуть электрические за­ряды с потенциалом до 45 кВ.

Опасность возникновения статического электричества проявляется в возможности образования эл. искры и вредном действии его на организм человека. Анализ причин пожаров на производствах показал, что почти 60% всех взрывов происходят по причине возникновения этого явления.

При прикосновении человека к предмету, несу­щему электрический заряд, происходит разряд по­следнего через тело человека. Величины возникаю­щих при разрядке токов небольшие и они очень кратковременны. Поэтому электротравм не возни­кает. Однако разряд, как правило, вызывает рефлек­торное движение человека, что в ряде случаев может привести к резкому движению, падению человека с высоты.

Кроме того, при образовании зарядов с большим электрическим потенциалом вокруг них создается электрическое поле повышенной напряженности, кото­рое вредно для человека. При длительном пребывании человека в таком поле наблюдаются функциональные изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой и других системах.

Основные способы защиты: заземление оборудования, увлажнение воздуха, ионизация воздушной среды нейтрализаторами статического электричества, подбор контактных пар, увеличение поверхности проводимости диэлектриков, изменение режима технологического процесса, применение СИЗ.



Влажный воздух имеет достаточную электропро­водность, чтобы образующиеся электрические заря­ды стекали через него. Поэтому во влажной воздуш­ной среде электростатических зарядов практически не образуется, и увлажнение воздуха является од­ним из наиболее простых и распространенных ме­тодов борьбы со статическим электричеством.

Еще один распространенный метод устранения электростатических зарядов - ионизация воздуха. Образующиеся при работе ионизатора ионы нейтра­лизуют заряды статического электричества. Таким образом, бытовые ионизаторы воздуха не только улучшают аэроионный состав воздушной среды в по­мещении, но и устраняют электростатические заря­ды, образующиеся в сухой воздушной среде на ков­рах, ковровых синтетических покрытиях, одежде. На производстве используют специальные мощные ио­низаторы воздуха различных конструкций, но наибо­лее распространены электрические ионизаторы.

В качестве индивидуальных средств защиты могут применяться антистатическая обувь, антистатические халаты, заземляющие браслеты для защиты рук и другие средства, обеспечивающие электростатическое заземление тела человека.

Молнии - серьёзная угроза для жизни людей. Поражение человека или животного молнией часто происходит на открытых пространствах, так как электрический ток идёт по кратчайшему пути «грозовое облако-земля». Часто молния попадает в деревья и трансформаторные установки на железной дороге, вызывая их возгорание. Поражение обычной линейной молнией внутри здания невозможно, однако бытует мнение, что так называемая шаровая молния может проникать через щели и открытые окна. Обычный грозовой разряд опасен для телевизионных и радиоантенн, расположенных на крышах высотных зданий, а также для сетевого оборудования.

Грозовые облака, являющиеся носителями статического электричества, образуются в результате движения воздушных потоков, насыщенных водяными парами. Электрические разряды образуются между разноименными заряженными облаками или, чаще, между заряженным облаком и землей. При достижении определенной разности потенциалов происходит разряд молнии между облаками или на земле. Для защиты от молний устанавливаются молниеотводы, проводящие разряд напрямую в землю.

Помимо молний, грозовые облака могут вызывать на изолированных металлических предметах опасные электрические потенциалы из-за электростатической индукции.

В организме пострадавших от разрядов молнии отмечаются такие же патологические изменения, как при поражении электротоком. Жертва теряет сознание, падает, могут отмечаться судороги, часто останавливается дыха-ние и сердцебиение. На теле обычно можно обнаружить «метки тока», места входа и выхода электричества.

При поражении молнией первая медицинская помощь должна быть неотложной. В тяжёлых случаях (остановка дыхания и сердцебиения) необходима реанимация, её должен оказать, не ожидая медицинских работников, любой свидетель несчастья. Реанимация эффективна только в первые минуты после поражения молнией, начатая через 10 - 15 минут она, как правило, уже не эффективна. Экстренная госпитализация необходима во всех случаях, поскольку более тяжелые симптомы могут проявиться впоследствии, и пострадавшему потребуется квалифицированная помощь медиков.

Если ближайшая больница далеко, то до приезда «скорой помощи» следует попытаться оказать первую помощь самим. Прежде всего, пострадавшего необходимо перенести в безопасное место. Не следует бояться дотрагиваться до пораженного молнией – электрического заряда на теле не остается.

Если пострадавший потерял сознание, нужно уложить его на спину и повернуть голову в сторону, чтобы язык не запал в дыхательные пути, и затем сделать ему искусственное дыхание, а при отсутствии сердцебиения - непрямой массаж сердца. По возможности дать пострадавшему понюхать нашатырный спирт. Ожоги от удара током необходимо обильно полить водой, предварительно сняв обожженную одежду.

23.04.2009 19:08 Александр

Защита от статического и атмосферного электричества, молниезащита. Статическое электричество – совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией зарядов. Заряды возникают при трении, дроблении, облучении УФ, химических реакциях. Длительное время заряды сохраняются на поверхности полупроводников и диэлектриков с удельным сопротивлением ρ≥105 Ом*м. Релаксация зарядов происходит в следующих формах – растекание по поверхности и в объёме тела, стекание зарядов с поверхности тела в воздух. Опасность статического электричества заключается в возможности воспламенения горючих смесей, находящихся в помещении. Меры защиты: 1.снижение силового воздействия 2.снижение скоростей перемещения слоёв сыпучих материалов и жидкостей 3.изготовление контактирующих тел из материалов с близким удельным сопротивлением 4.нанесение на поверхность токоведущих тел лакокрасочных покрытий 5.обработка антистатиками 6.увеличение относительной влажности выше 65% 7.заземление оборудования 8.ионизация воздуха вблизи мест образования зарядов с помощью нейтрализаторов различного типа 9.токопроводящая обувь, полы, обивки стульев 10.легкосъёмные токопроводящие браслеты Поражающие факторы атмосферного электричества. 1.прямой удар молнией и защита с помощью молниеотводов 2.явление электромагнитной индукции, т.е. Вследствие возникновения, мощного переменного во времени электрического поля, способного индуцировать ЭДС различной величины в металлических конструкциях, при сближении которых могут происходить электрические разряды на заземлённые предметы, след-но, возникновение опасного электротравматизма, воспламенение горючих смесей и т.п. Для защиты в местах сближения металлических конструкций до 20 см между ними необходимо устраивать металлические перемычки 3.электростатическая индукция, т.е. Наведение заряда противоположного знака по сравнению с зарядом облака на металлических предметах, изолированных от земли. Релаксация зарядов с этих предметов происходит на ближайшие заземлённые предметы, след-но, электротравматизм, воспламенение. 4.занос высоких потенциалов по металло-комуникациям, входящих в здание. Защита: заземление крюков фазных проводов. Все здания по опасности поражения молнией подразделяются на 3 категории: --здания, в которых находятся горючие вещества, воспламенение которых может повлечь значительные разрушения и угрозу жизни людей. Т.е. Здания, в которых есть помещения В-I и В-II. ---- воспламенение которых не может повлечь значительного ущерба, т.е. Здания В-Iа, В-Iб, В-iiа. - Все остальные В зданиях 1 и 2 категории необходима защита от всех 4 поражающих факторов молниезащита типа А. В зданиях 3 категории необходимо устройство молниеотводов (А или Б) и защита от заноса высоких потенциалов. Молниеотводы бывают стержневые, сетчатые, сетчатые с ячейками 6х6, тросовые. Кроме того бывают одиночными и многократными. 1 – опора 2 – молниеприёмник 3 - токоотвод 4 – заземлитель

При прикосновении человека к предмету, несу­щему электрический заряд, происходит разряд по­следнего через тело человека. Величины возникаю­щих при разрядке токов небольшие и они очень кратковременны. Поэтому электротравм не возни­кает. Однако разряд, как правило, вызывает рефлек­торное движение человека, что в ряде случаев может привести к резкому движению, падению человека с высоты.

Кроме того, при образовании заряда с большим электрическим потенциалом вокруг них создается электрическое поле повышенной напряженности, кото­рое вредно для человека. При длительном пребывании человека в таком поле наблюдаются функциональные изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой и других системах.

«У людей, работающих в зоне воздействия электростатического поля, встречаются разнообразные жалобы: на раздражительность, головную боль, нарушение сна, снижение аппетита и др. Характерны своеобразные «фобии», обусловленные страхом ожидаемого разряда. Склонность к «фобиям» обычно сочетается с повышенной эмоциональной возбудимостью». 1

Установлено также благотворное влияние на самочувствие снятия избыточного электростатического заряда с тела человека (заземление, хождение босиком).

Наибольшая опасность электростатических заря­дов заключается в том, что искровой разряд может обладать энергией, достаточной для воспламенения горючей или взрывоопасной смеси. Искра, возникаю­щая при разрядке электростатических зарядов, яв­ляется частой причиной пожаров и взрывов.

Так, удаление из помещения пыли из диэлек­трического материала с помощью вытяжной венти­ляции может привести к накоплению в газоходах электростатических зарядов и отложений пыли. Появление искрового разряда в этом случае может привести к воспламенению или взрыву пыли. Из­вестны случаи очень серьезных аварий на предпри­ятиях в результате взрывов в системах вентиляции.

При перевозке легковоспламеняющихся жидко­стей, при их перекачке по трубопроводам, сливе из цистерны или за счет плескания жидкости накап­ливаются электростатические заряды, и может возникнуть искра, которая воспламенит жидкость.

Наибольшую опасность статическое электричес­тво представляет на производстве и на транспорте, особенно при наличии пожаро-взрывоопасных смесей, пылей и паров легковоспламеняющихся жидкостей.

В бытовых условиях (например, при хождении по ковру) накапливаются небольшие заряды, и энергии возникших искровых разрядов недоста­точно для инициирования пожара в обычных усло­виях быта.

Значительную опасность представляет атмосферное статическое электричество; в грозовых облаках накапливаетсянапряжение от 100 млн до 1млрд В (разность потенциалов между поверхностью земли и атмосферой при грозе), температура в молнии достигает значений 20 - 30 тыс °С , скорость молнии – порядка 100 000 км/с , а сила тока в ней – 180 000 А. Ежегодно на земном шаре бывает до 44 000 гроз, т.е. каждую секунду на небосклоне около 100 молний. В среднем на 1 км 2 поверзности земли приходится в год 2-4 грозовых разряда.

Грозовые разряды, поражающие наземные объекты проявляются в виде:

а) прямого удара молнии (непосредственный контакт молнии с объектом, сопровождающийся протеканием через него тока молнии)

б) вторичных проявлений молнии – электрической индукции (наведение потенциалов на наземных предметах в результате изменений электрического поля грозового облака, что сопряжено с опасностью появления искрения между металлическими элементами конструкций и оборудования) и электормагнитной индукции (наведение потенциалов в незамкнутых металлических контурах в результате быстрых изменений тока молнии, создающее опасность искрения в местах сближения этих контуров)

в) заноса высоких потенуиалов (перенесение наведенных молнией высоких электрических потенциалов в защищаемое здание по трубопроводам, электрическим кабелям и другим металлоконструкциям).

Эффективным средством защиты от атмосферного электричества является молниезащита. Комплекс защитных устройств, предназначенных для обеспечения безопасности людей, сохранности зданий и сооружений, оборудования и материалов от взрывов, загораний и разрушений выполнятся по «Инструкци по устройству молниезащиты зданий и сооружений и промышленных коммуникаций» СО 153-34 И.122-2003.

Молниезащита бывает трех категорий , что определяется назначением зданий, среднегодовой продолжительностью гроз, ожидаемым числом поражений зданий в год.

II категория – защита промышленных зданий и сооружений с взрывоопасными зонами классов B-Iа, B-Iб, B-IIа и расположенных в местности со средней грозовой деятельностью 10 и более час в год. По этой же категории обеспечивается защита наружных технологических установок и открытых складов, относимых к классу B-Iг, вне зависимости от места расположения.

III категория – защита многих других производственных сельскохозяйственных, жилых и общественных зданий, сооружений, складов, дымовых труб, водонапорных, силосных башен, пожарных вышек, ТВ вышек с учетом их пожароопасности, степени огнестойкости, ожидаемого количества поражений молнией, времени средней грозовой активности в районе и других факторов.

Любой молниеотвод состоит из: опоры, молниеприемника, токоотвода (спуска) и заземлителя. Применяются2 типа молниеотводов: стержневой и тросовый. Стержневой по конструктивному исполнению бывает одиночный, двойной, многократный. Тросовый бывает одиночный и двойной.