Рис. 78. Начальный разряд — «лидер» с разветвлениями молнии
Молния — это электрический разряд статического электричества через слой воздуха между облаком и поверхностью земли. Разряд молнии аналогичен электрическому разряду между пластинами в конденсаторе. Облако и поверхность земли являются «пластинами», на которых собираются электрические заряды различной полярности.
Как показали данные многочисленных исследований, большая часть (90%) электрических зарядов на облаках имеет отрицательную полярность и лишь сравнительно небольшое количество разрядов молнии имеет положительный заряд.
Как показали данные многочисленных исследований, большая часть (90%) электрических зарядов на облаках имеет отрицательную полярность и лишь сравнительно небольшое количество разрядов молнии имеет положительный заряд.
Разряд молнии между облаком и землей иди выступающим над поверхностью земли сооружением не одиночный, а представляет несколько следующих один за другим в очень короткий промежуток времени разрядов.
Начальный разряд («лидер») имеет наибольший потенциал, большие ответвления от основного потока (рис. 78).
При полном прохождении «лидера» к земле от последней к облаку устремляется главный разряд противоположного потенциала. Таким образом, для последующих «лидеров» разрядов облегчается проход от облака к земле по ионизированному лидерному каналу, образовавшемуся в воздушном промежутке.
При разрядах молнии почти во всех случаях за первым следует еще один или несколько разрядов.
При приближении к земле головки «лидера» на его направление оказывает влияние не только наиболее проводящий ионизированный промежуток воздушного пространства, а также и выступающие над поверхностью части зданий или сооружений деревья и другие объекты, обладающие более высокой проводимостью, чем воздух.
Воздействие молнии на транспортируемый по газопроводам природный газ.
После окончания работ по строительству нового газопровода, а также в процессе эксплуатации газопроводы очищаются от посторонних предметов и загрязнения путем продувки газом при давлении не ниже 6 кгс/см2. Продувка осуществляется в специальные продувочные патрубки, имеющиеся на действующем газопроводе или ввариваемые специально для этой цели. Природный газ, выдуваемый через патрубок, несет с собой грязь, влагу, что делает его достаточным проводником электричества. Выбрасываемый газ под давлением на большую высоту (до 100 м) в открытом поле является активным молниеотводом, что во время грозовых разрядов может привести к его загоранию. Аналогичные явления возникают и при аварийных выбросах газа через отверстия в газопроводе при разрывах трубы.
Загорания газа от воздействия молнии могут также возникнуть на площадках компрессорных станций, на газовых коммуникациях.
Воздействие молнии на здания и сооружения.
Прямой удар молнии.
При прямом ударе молнии происходит непосредственный контакт канала молнии с поражаемым зданием или сооружением. Протекающий при этом электрический ток молнии может вызвать расплавление или деформацию металлических конструкций. Высокая температура и электрическая дуга при разряде при соприкосновении с легковоспламеняющимися веществами может вызвать взрыв или загорание их.
Вместе с термическими воздействиями удар молнии может повлечь за собой механические разрушения за счет электродинамических сил в проводниках, а также значительного повышения давления газов и паров, находящихся в газопроводах или в сосудах, в результате быстрого адиабатического нагрева газов при протекании токов молнии.
Прямой удар также может повлечь за собой и поражение людей, находящихся на открытой местности или внутри здания, напряжением потенциала молнии или шаговым напряжением разряда по поверхности земли.
Вторичные воздействия молнии. Вторичные воздействия молнии возникают в результате электромагнитного поля молнии, ударяющей в молниеприемники защищаемого сооружения или другое здание вблизи него, и возникновения потенциала, наведенного в проводниках, находящихся в этом поле. Вторичные проявления молнии могут вызвать искрение между отдельными металлическими конструкциями, опасные для взрывоопасных и пожароопасных помещений газопроводов, а также опасность прикосновения людей к металлическим сооружениям с высоким потенциалом наведенного статического электричества.
Занос высоких потенциалов удара молнии.
Занос высоких по тенциалов возможен по проводам воздушных электросетей, по подземным и надземным трубопроводам, кабелям, рельсовым путям, металлическим конструкциям вне зданий в результате прямого удара молнии непосредственно в указанные объекты или за счет наведения индуктированных зарядов при близком разряде молнии. Занос потенциалов может вызвать искрения во взрывоопасных помещениях газопроводов и стать причиной взрыва или пожара, а также поражения людей при прикосновении к заряженным электричеством конструкциям.
Основные электрические и механические параметры молнии.
Электрический ток. Исходной величиной при выборе тина и расчетах грозозащиты принимается сила электрического тока молнии.
Наиболее вероятные параметры тока молнии 50 кА.
На рис. 79 показана форма кривой тока разряда молнии. Сила тока разряда молнии зависит от высоты местности над уровнем моря и сопротивления грунта. В горных районах с абсолютными отметками более 500 м над уровнем моря, а также в равнинных местностях с высоким удельным сопротивлением грунта ргр ≤ 5 · 1010 Ом·см сила тока молнии в два раза меньше силы тока молнии в равнинной местности с удельным сопротивлением грунта ргр 5· 1010 Ом·см.
Тепловое воздействие тока разряда молнии.
Прохождение тока разряда молнии по проводнику вызывает нагрев последнего. При этом в зависимости от сечения пораженного сооружения, силы тока разряда и длины волны tx тепловое воздействие может вызвать каление или плавление и даже загорание последнего.
Сила тока молнии Iм определяется по формуле
где кх — коэффициент, зависящий от материала токоотвода и температуры нагрева; F — площадь сечения токоотвода, мм2; tx— длина волны, мкс.
Зависимость теплового воздействия тока разряда молнии от сечения проводника и материала последнего показана на рис. 80.
Рис. 79. Форма кривой тока молнии
Исходя из опытных данных для токоподводов молниеприемников, рекомендуются следующие минимальные сечения голых проводников: медный _
,
стальной 
Механические воздействия тока разряда молнии.
Ток молнии при прохождении через сооружения и конструкции оказывает на них интенсивное механическое воздействие. Деревянные конструкции могут быть разрушены полностью, кирпичные и каменные сооружения, не защищенные молниеотводами, могут иметь также значительные повреждения, каменные, бетонные и железобетонные конструкции тоже подвержены разрушениям от механического воздействия тока молнии. Для создании устойчивости от воздействия молнии железобетонные конструкции (опоры, перекрытия, балки и т. п.) должны соответствовать следующим требованиям:
Электрическая индукция потенциала молнии. По мере приближения грозового облака к защищаемому объекту начинается усиленное перераспределение электрического поля земли и частичное освобождение зарядов на металлических частях здания за счет нейтрализации зарядов канала молнии и утечки зарядов земли к облаку через канал молнии. Это влечет за собой возникновение значительной разности потенциалов между конструкциями здания, трубопроводами, проводами и другими металлическими предметами и землей. Разность потенциалов может привести
все стержни железобетонных конструкций должны быть электрически связаны с обоих концов конструкции и присоединены к молниезащите; стальная арматура прочно заземлена; допустимая предельная температура металлической арматуры железобетона не должна быть более +100° С при прохождении через нее тока молнии; неармированные или слабо армированные бетонные конструкции должны защищаться от прямого удара молнии. Металлические конструкции, не имеющие заземления или специальной молниезащиты, установленные на изолирующих от земли устройствах, также подвергаются интенсивному механическому воздействию тока молнии и могут деформироваться.
Рис. 80. Зависимость теплового воздействия молнии от материала проводников:
1 — медь; 2 — алюминий; 3 — сталь
Рис. 81. Расположение капала молнии по отношению к контуру взаимоиндукции:
1 — канал молнии; 2 — контур
Для снижения разности потенциалов между металлическими предметами и агрегатами компрессорных станций и землей их необходимо прочно присоединять к заземлению.
Снижению потенциала индуцированных напряжений способствует применение стержневых молниеотводов.
Стержневые молниеотводы хотя и приближает к защищаемому объекту разряд прямого удара молнии, вследствие чего индуцированное напряжение возрастает, но одновременно снижают потенциал индуцированного напряжения из-за быстрой утечки потенциала земли по лидерному и последующим каналам.
Электромагнитная индукция молнии.
Как указывалось, благодаря электромагнитной индукции молнии возникают вторичные воздействия молнии на промышленные и другие сооружения. Величина э. д. с., наведенной в проводниках под воздействием на них электромагнитного доля тока молнии, зависит от силы тока, размеров и конфигурации контура, создаваемого проводником, и взаимного расположения канала молнии и проводника, в котором наводится э. д. с.
Электрический ток, наводимый в проводниках электромагнитной индукцией молнии, как показывает практика, не оказывает значительного теплового воздействия на металлические конструкции. Опасным является лишь наведенный потенциал, который может иметь значительную величину (более 10 кВ) и в незамкнутых контурах вызвать искрение или сильное нагревание и обгорание мест разряда статического электричества.
Значение э. д. с. электромагнитной индукции молнии характеризуется фронтом волны, где имеют место наибольшие изменения тока.
При взаимном расположении канала молнии по отношению к контуру, показанному на рис. 81, э. д. с. можно рассчитать по формулам:
где Μ — коэффициент взаимоиндукции между каналом молнии и контуром; а и b — соответственно длина и ширина контура, см; С — расстояние от канала молнии до контура, см; Г — крутизна тока молнии, кА/мкс.
Среднегодовая продолжительность гроз на территории СССР.
Вероятность поражения молнией промышленных площадок газокомпрессорных цехов, газораспределительных станций и других объектов производственного назначения и бытовых помещений газопроводов находится в прямой зависимости от интенсивности грозовой деятельности в районе расположения этих объектов.
Ожидаемое количество поражений молнией в год зданий и сооружений, не оборудованных молниезащитой, определяется по формуле [41
J
где S — ширина защищаемого здания (сооружения), м; L — длина защищаемого здания (сооружения), м; hx —высота здания, м- h — среднее число поражений молнией одного квадратного кило: метра поверхности земли в год в месте расположения объекта;
В табл. 38 приведена характеристика грозовой активности.
Таблица 38
Характеристика грозовой активности на территории СССР
Категории зданий и сооружений по степени опасности поражения их молнией.
Категория зданий и сооружений промышленного и бытового назначения по степени их опасности при поражении молнии зависит от места расположения района, от технологии производства по взрывоопасности или пожароопасности и др.
По степени опасности все здания разделяются на три категории.
Классификация зданий и сооружений по устройству молниезащиты и необходимости выполнения защитных средств, основанная на строительных нормах Госстроя СССР — СН-305—69, показана в табл. 39.
Таблица 39
Категория зданий и сооружений но требования и к устройству молниезащиты
