Ēku un objektu zibensaizsardzība

Zibens izlāde no atmosfēras elektrības var izraisīt izolācijas bojājumus, avārijas elektroinstalācijās, nelaimes gadījumus ar cilvēkiem un ēku un būvju iznīcināšanu.

Zibens izskats

Saulei sildot zemes virsmu, rodas augšup vērstas gaisa straumes, kas piesātinātas ar ūdens tvaikiem. Mazākas ūdens daļiņas ir negatīvi lādētas, lielākas – pozitīvi.

Vēja un gravitācijas ietekmē notiek pretēji lādētu daļiņu atdalīšanās. Ūdens daļiņas mākoņos, kas paceļas vairāk nekā 5 km augstumā, sasalst un sabrūk. Pozitīvi lādēti kristāli atrodas mākoņa augšējā daļā, 5-7 km augstumā, negatīvi lādēti - 2-5 km augstumā. Lādiņu atdalīšanās rezultātā mākoņos veidojas t.s. Kosmosa lādiņiem un dažādām negaisa mākoņa daļām ir dažādas lādiņu vērtības un zīmes. Lādiņi no mākoņa dibena rada pretējas zīmes lādiņus uz zemes.

Starp mākoņiem un zemi, kā arī starp dažādām mākoņa daļām vai starp dažādiem mākoņiem rodas augstas intensitātes lauki — vairāki desmiti tūkstošu voltu uz centimetru. Pie lauka intensitātes aptuveni 30 kV / cm notiek gaisa jonizācija, sākas izrāviens - tā sauktā līdera izlāde (blāvi kvēlojošs kanāls ar diametru 10–20 m), pārvietojoties ar vidējo ātrumu 200– 300 km/sek.

Lauka iedarbībā lādiņi uz zemes — vietās ar paaugstinātu vadītspēju (mitrās vietās, elektrību vadošos slāņos utt.) vai ar augstiem objektiem (pakalni, skursteņi, ūdenstorņi, stabi, elektrolīnijas, koki, patstāvīgas ēkas uz līdzenums utt.) — virzīties uz vadītāju.

Vadītājs tiek novirzīts uz objektu, attiecībā pret kuru elektriskā lauka spriegums ir vislielākais un tad notiek spēcīga pretizlāde, kas izplatās ar ātrumu, kas salīdzināms ar gaismas ātrumu (1. att.). Turklāt nepilnās sekundes desmittūkstdaļās caur skarto struktūru iziet strāva, kas sasniedz simtiem tūkstošu ampēru, kuras ietekmē plazma uzsilst līdz vairākiem desmitiem tūkstošu grādu un sāk spoži mirdzēt.

Izmešanas gaismas efekts tiek uztverts kā zibens, un sprādzienbīstama gaisa izplešanās izplūdes kanālā rada skaņas efektu — pērkonu.

Rīsi. 1. Pērkona mākoņa elektrifikācijas procesa un zibens izlādes attīstības pret zemes objektu shēma.

Mērījumi liecina, ka aptuveni 3/4 izlādes rodas no negatīvi lādētajām mākoņa daļām, bet 1/4 izlādes no pozitīvi lādētajām zonām. Pēc pirmās var parādīties vēl vairākas secīgas izlādes.

Zibens izlādes raksturo šādi parametri:

• strāvas amplitūda — visbiežāk novērotā strāva ir 10–30 kA, 5–6% mērījumu strāva sasniedz 100–200 kA;

• viļņu frontes garums — zibens strāvas pieauguma ilgums līdz maksimālajai vērtībai (parasti 1,5-2 μs).

Daudz retāk tiek novērots lodveida zibens, kas ir līdz pusmetram diametrā mirdzoša plazmas lode, kas gaisa straumju ietekmē lēnām pārvietojas pa zemes virsmu. Lodveida zibens iekļūst ēkās caur skursteņiem, logiem, durvīm.

Ja lodveida zibens pieskaras dzīvam organismam, tiek gūti nāvējoši ievainojumi, rodas smagi apdegumi, un, saskaroties ar konstrukcijām, notiek eksplozija un priekšmetu mehāniska iznīcināšana. Lodveida zibens būtība joprojām nav labi izprotama.

Zibens ietekme uz ēkām un būvēm

Tiešs zibens spēriens izraisa balstu šķelšanos, konstrukciju kušanu, aizdegšanos un sprādzienu, mehānisku iznīcināšanu, nepieņemamu metāla konstrukciju uzkaršanu no zibens, kas caur tām nonāk zemē. Saskaņā ar operatīvajiem datiem zibens izdeg cauri lokšņu metālam ar biezumu 4 mm.

Elektrostatiskā indukcija izpaužas kā augsta potenciāla radīšana uz izolētām metāla konstrukcijām un vadiem, kas noved pie zemes iznīcināšanas, kas savukārt var izraisīt elektrošoku cilvēkiem, sprādzienbīstamu maisījumu aizdegšanos un eksploziju, kā arī bojājumus izolācija elektroinstalācijās.

Elektromagnētiskā indukcija izpaužas kā indukcija izlādes strāvas laikā uz paplašinātām metāla konstrukcijām un komunikācijām (sijām, sliedēm, cauruļvadiem utt.), kas izolētas viena no otras un no zemes, kas var izraisīt dzirksteles vai loka veidošanos.

Zibensizlādes gadījumā augsts potenciāls tiek ievadīts arī gar ārējām zemes konstrukcijām un komunikācijām.

Ēkas un iekārtas, atkarībā no to mērķa un zibens darbības intensitātes to atrašanās vietā, ir jāaizsargā no zibens bojājumiem vai sekundāriem efektiem, ko izraisa zibens izlāde.

Teritorija no Urāliem līdz Krasnojarskai un uz dienvidiem no Krasnojarskas, no Krasnojarskas līdz Habarovskai ietilpst apgabalos ar vidējo pērkona negaisa aktivitātes ilgumu no 40 līdz 60 stundām. Reģionā uz ziemeļiem no Krasnojarskas, no Krasnojarskas līdz Nikolajevskai pie Amūras, vidējais pērkona negaisa aktivitātes ilgums ir no 20 līdz 40 stundām. Paaugstināta pērkona negaisa aktivitāte no 60 līdz 80 stundām gadā tiek novērota Augšaltaja reģionos (Bijska-Gorno-Altajaska-Ust-Kamenogorska). Ēku un būvju zibensaizsardzība jāveic saskaņā ar specializētu organizāciju izstrādātiem projektiem.

Aizsardzība pret tiešiem zibens spērieniem. Zibens stieņa pārklājuma zona

Zibensaizsardzības ierīču darbība sastāv no tā, ka metāla zibensnovedējs, kas paceļas virs tā, ir uzstādīts netālu no aizsargājamā objekta, droši savienots ar zemi. Kad notiek zibensizlāde, zemē steidzošais vadītājs tuvojas augstākajam paaugstinātas vadītspējas punktam (par šādu punktu kalpo iezemētā zibensnovedēja augšējā daļa) un izlāde notiek zibensnovedējam, apejot aizsargājamo objektu.

Viena stieņa zibensnovedēja ar augstumu h aizsargjosla ir 0,92 h augstuma konuss ar pamatni apļa formā ar rādiusu 1,5 h (2. att.).

Visas konstrukcijas, kas iekļaujas konusā, tiks aizsargātas no tiešas zibens spēriena ar vismaz 95% uzticamību (B zona).Konusa iekšpusē, kura augstums ir 0,85 stundas un pamatnes rādiuss 1,1 stunda, aizsardzības uzticamība ir 99,5%. (A zona).

Rīsi. 2. Viena stieņa zibensaizsardzības zonas. A — aizsargjosla ar 99,5% drošumu; B — aizsargjosla ar 95% uzticamību; 1 — zibensnovedējs; 2 — aizsargājams objekts.

Ja objekta platība ir lielāka par aizsargājamo zonu, ir nepieciešams palielināt zibensnovedēja augstumu vai uzstādīt vairākus zibensnovedējus.

Aizsardzība pret zibens sekundāro ietekmi

Galvenais pasākums, lai cīnītos pret augsta potenciāla rašanos ēkās vai konstrukcijās, ko izraisa elektrostatiskā indukcijas atmosfēras izlādes laikā, ir visu ēkas vadošo elementu zemējums.

Lai noņemtu ietekmi elektromagnētiskā indukcija iegarenos metāla elementos (cauruļvados, metāla konstrukcijās utt.) pēdējie ir droši savienoti ar metāla tiltiņiem.

Lai novērstu augstu potenciālu pārnešanu pa antenas un pazemes sakariem, jaudas, radio, signalizācijas un sakaru tīklu ievades tiek realizētas ar kabeļu un vārstu ierobežotājiem (piemēram, RVN-0.5) un dzirksteļspraugām, kas tiek iedarbinātas, kad ir uzstādīti sprieguma paaugstinājumi.