Protection contre la foudre des bâtiments et des installations
La décharge de foudre provenant de l'électricité atmosphérique peut causer des dommages à l'isolation, des accidents dans les installations électriques, des accidents avec des personnes et la destruction de bâtiments et de structures.
L'apparition de la foudre
Lorsque le soleil chauffe la surface de la terre, des courants d'air ascendants saturés de vapeur d'eau apparaissent. Les petites particules d'eau sont chargées négativement, les plus grosses sont chargées positivement.
Sous l'influence du vent et de la gravité, une séparation de particules chargées de manière opposée se produit. Les particules d'eau dans les nuages qui s'élèvent à plus de 5 km de hauteur gèlent et s'effondrent. Les cristaux chargés positivement sont situés dans la partie supérieure du nuage, à une hauteur de 5 à 7 km, chargés négativement - à une hauteur de 2 à 5 km. À la suite de la séparation des charges dans les nuages, les soi-disant se forment. Les charges spatiales et les différentes parties du nuage orageux ont des valeurs et des signes de charge différents. Les charges du bas du nuage provoquent des charges de signe opposé au sol.
Entre les nuages et le sol, ainsi qu'entre différentes parties du nuage ou entre différents nuages, apparaissent des champs de forte intensité — plusieurs dizaines de milliers de volts par centimètre. À une intensité de champ d'environ 30 kV / cm, une ionisation de l'air se produit, une percée commence - la soi-disant décharge principale (un canal faiblement incandescent d'un diamètre de 10–20 m), se déplaçant à une vitesse moyenne de 200– 300 km/s.
Sous l'action du champ, les charges au sol - dans les zones à conductivité accrue (lieux humides, couches électriquement conductrices, etc.) ou avec des objets élevés (collines, cheminées, châteaux d'eau, poteaux, lignes électriques, arbres, bâtiments indépendants sur la plaine, etc. .) — se diriger vers le conducteur.
Le conducteur est dirigé vers l'objet par rapport auquel la tension du champ électrique est la plus grande puis une puissante contre-décharge se produit, se propageant à une vitesse comparable à la vitesse de la lumière (Fig. 1). De plus, en moins d'un dix millième de seconde, un courant atteignant des centaines de milliers d'ampères traverse la structure affectée, sous l'influence de laquelle le plasma s'échauffe à plusieurs dizaines de milliers de degrés et commence à briller vivement.
L'effet lumineux de l'éjection est perçu comme un éclair et l'expansion explosive de l'air dans le canal d'échappement produit un effet sonore - le tonnerre.
Riz. 1. Schéma du processus d'électrification d'un nuage orageux et du développement d'une décharge de foudre vers un objet au sol.
Les mesures montrent qu'environ 3/4 des décharges proviennent des parties chargées négativement du nuage, et 1/4 des décharges des zones chargées positivement. Après la première, plusieurs autres décharges consécutives peuvent apparaître.
Les décharges de foudre sont caractérisées par les paramètres suivants :
• amplitude du courant — le courant le plus fréquemment observé est de 10 à 30 kA, dans 5 à 6 % des mesures, le courant atteint 100 à 200 kA ;
• longueur du front d'onde — la durée de montée du courant de foudre jusqu'à sa valeur maximale (habituellement 1,5-2 μs).
Beaucoup moins souvent, on observe la foudre en boule, qui est une boule de plasma rougeoyante d'un diamètre allant jusqu'à un demi-mètre, se déplaçant lentement sous l'influence des courants d'air à la surface de la terre. La foudre en boule pénètre dans les bâtiments par les cheminées, les fenêtres, les portes.
Si la foudre en boule touche un organisme vivant, il y a des blessures mortelles, des brûlures graves se produisent et au contact des structures, une explosion et une destruction mécanique des objets se produisent. La nature de la foudre en boule n'est pas encore bien comprise.
Impact de la foudre sur les bâtiments et les structures
Un coup de foudre direct provoque le fractionnement des supports, la fonte des structures, l'inflammation et l'explosion, la destruction mécanique, un échauffement inacceptable des structures métalliques par la foudre qui les traverse dans le sol. Selon les données opérationnelles, la foudre brûle à travers une tôle d'une épaisseur de 4 mm.
L'induction électrostatique se manifeste par la création d'un potentiel élevé sur les structures métalliques et les fils isolés, ce qui entraîne la destruction du sol, ce qui peut à son tour provoquer un choc électrique pour les personnes, l'inflammation et l'explosion de mélanges explosifs, ainsi que des dommages au isolation dans les installations électriques .
L'induction électromagnétique se manifeste par l'induction lors du courant de décharge sur les structures en métal déployé et les communications (poutres, rails, canalisations, etc.), isolées les unes des autres et du sol, ce qui peut provoquer une étincelle ou un arc.
En cas de décharge de foudre, des potentiels élevés sont également introduits le long des structures de masse externes et des communications.
Les bâtiments et les installations, en fonction de leur destination et de l'intensité de l'activité de la foudre dans la zone de leur emplacement, doivent être protégés des dommages causés par la foudre ou des effets secondaires causés par la décharge de la foudre.
Le territoire de l'Oural à Krasnoïarsk et au sud de Krasnoïarsk, de Krasnoïarsk à Khabarovsk appartient à des zones avec une durée moyenne d'activité orageuse de 40 à 60 heures. Dans la région au nord de Krasnoyarsk, de Krasnoyarsk à Nikolaevsk-on-Amur, la durée moyenne de l'activité orageuse est de 20 à 40 heures. Une activité orageuse accrue de 60 à 80 heures par an est observée dans les régions du Haut-Altaï (Biysk-Gorno-Altaysk-Ust-Kamenogorsk). La protection contre la foudre des bâtiments et des structures doit être réalisée selon des projets élaborés par des organismes spécialisés.
Protection contre les coups de foudre directs. Zone de couverture du paratonnerre
L'action des dispositifs de protection contre la foudre consiste dans le fait qu'un paratonnerre métallique le surplombant est installé à proximité de l'objet protégé, connecté de manière fiable à la terre. Lorsqu'une décharge de foudre se produit, le conducteur se précipitant vers le sol s'approche du point le plus élevé de conductivité accrue (la partie supérieure du paratonnerre mis à la terre sert de tel point) et la décharge se produit vers le paratonnerre, contournant l'objet protégé.
La zone de protection d'un paratonnerre à tige unique de hauteur h est un cône de hauteur 0,92 h avec une base en forme de cercle de rayon 1,5 h (Fig. 2).
Toutes les structures qui s'insèrent dans le cône seront protégées d'un coup de foudre direct avec une fiabilité d'au moins 95% (Zone B).À l'intérieur d'un cône d'une hauteur de 0,85 heure et d'un rayon de base de 1,1 heure, la fiabilité de la protection est de 99,5 %. (Zone A).
Riz. 2. Zones de protection contre la foudre à tige unique. A — zone de protection avec une fiabilité de 99,5 % ; B — zone de protection avec une fiabilité de 95 % ; 1 - paratonnerre ; 2 — objet protégé.
Si la zone du site est plus grande que la zone protégée, il est nécessaire d'augmenter la hauteur du paratonnerre ou d'installer plusieurs paratonnerres.
Protection contre les effets secondaires de la foudre
La principale mesure pour lutter contre l'apparition de hauts potentiels dans les bâtiments ou les structures dus à l'induction électrostatique lors des décharges atmosphériques est la mise à la terre de tous les éléments conducteurs du bâtiment.
Pour supprimer l'influence induction électromagnétique dans les éléments métalliques allongés (canalisations, structures métalliques, etc.), ces derniers sont reliés de manière fiable par des ponts métalliques.
Afin d'éliminer le transfert de potentiels élevés par les communications aériennes et souterraines, les entrées des réseaux électriques, radio, de signalisation et de communication sont mises en œuvre par des limiteurs de câbles et de vannes (par exemple, RVN-0.5) et des éclateurs, qui se déclenchent lorsque le des élévations de tension sont installées.