Э. М. Базелян, д.т.н., профессор;
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва;
признанный отечественный Эксперт в области заземления и молниезащиты
Выброс горючего газа в атмосферу – явление не столь уж редкое. Оно может произойти в аварийном режиме, например, из-за пробоя изолирующей прокладки во фланцевом соединении газопровода, а может быть вызвано число технологической необходимостью, например, для очистки от внезапно выделившегося метана в забое угольной шахты. Взрывоопасную смесь метана с воздухом приходится специально откачивать, транспортировать по газоотводной трубе и выбрасывать в атмосферу, создавая над выхлопной трубой пожароопасную область. Похожие области возникают и над резервуарами с углеводородным топливом при увеличении их заполненного объема. В Инструкции по молниезащите РД 34.21.122-87 специально оговариваются размеры опасной газовой области и предписывается необходимость ее включения в зону защиты молниеотвода. Последнее вполне понятно, потому что канал молнии с температурой в 20 000 – 30 000 К, контактируя с опасной газовой смесью, безусловно осуществит ее воспламенение, последствия которого непросто предсказать заранее. Во всяком случае, опыт эксплуатации газораспределительных пунктов (ГРП) хранит немало историй об их полном уничтожении возникшим пожаром.
Опыт эксплуатации показывает, что включение области горючей газовой смеси в зону защиты молниеотвода не исключает опасности ее возгорания. Вероятно, оно происходит за счет контакта с какими-то иными источниками высокой температуры, причем именно высокой, потому что для возгорания газовой смеси (например, воздушно метановой) нужна температуры около 5500 С.
В грозовой обстановке, когда у поверхности земли возбуждается сильное электрическое поле, в качестве подобных источников традиционно рассматриваются газоразрядные процессы у вершины наземных сооружений, в первую очередь, так называемый коронный разряд. Особо часто он существует в форме стационарной бесстримерной короны. Ее зона ионизации охватывает очень тонкую область у вершины сооружения с максимально сильным электрическим полем. Протяженность такой зоны, как правило, не превышает малой доли радиуса кривизны вершины, обуславливая электрический ток микроамперного уровня. При столь слабом токе газ в ионизованном объеме остается холодным. Из-за постоянного дрейфа газа даже в зоне ионизации его температура не отличается от температуры окружающего пространства даже на несколько градусов. Ясно, что о возгорании газового выброса здесь говорить не приходится.
Совершенно другую картину представляет стримерная форма коронного разряда. На рис. 1 ее статическая фотография от металлического заземленного электрода. Фотоаппарат зафиксировал ярко светящиеся образования, похожие в совокупности на ветку дерева
Рис. 1. Вспышка стримерной короны
На деле у стримерной вспышки заметно нагревается только ее общий стебель, где суммируются токи всех отходящих от него ветвей. Понятно, что температура нагрева стебля зависит от их числа и протяженности. Поэтому для воспламенения газового выброса годится не любая стримерная вспышка, а лишь достаточно мощная, длиной около 1 м. Ее многочисленные ветви в совокупности поднимают температуру газа в стебле свыше 5500 С. Фактически этого достаточно, чтобы в стебле зародился канал встречного лидера, способного к самостоятельному развитию и дальнейшему разогреву. Для этого в приэлектродной области требуется напряжение не меньше 400 – 450 кВ.
Здесь самое время схватить меня за руку и подвести к газовой плите, где электрозажигалка от сети напряжением в 220 В безо всяких проблем поджигает газовую горелку. Очень прошу не спешить с обвинениями в шарлатанстве. Не нужно забывать, что для поджига совсем не требуется протяженный источник с высокой температурой. Для этой цели вполне пригоден канал даже миллиметровой длины, если только он нагрет до нужной температуры. Ее минимальная величина уже оговорена – не ниже 5500 С. Электрозажигалка вполне подходит для этой цели., обеспечивая нагрев канала током от сети 220 В в течение хотя бы десятых долей секунды.
Роль такой зажигалки вполне может выполнить и заземленный человек, коснувшись протяженной коммуникации в момент близкого разряда молнии. При расстоянии даже в сотню метров от молнии электромагнитная наводка способна возбудить между коммуникацией и человеком искровой разряд длиной в несколько сантиметров. Возникший при этом канал холодным не окажется. Легко выполнить количественную оценку.
В температурном диапазоне до 10000 К теплоемкость воздуха не превышает
с = 1400 Дж/(м3К)
Это значит, что для нагрева на 5000 для 1 м3 воздуха потребуется энергия W не более 700000 Дж или 0,7 Дж на 1 см3.
С хорошим запасом в нашей весьма грубой оценке будем ориентироваться на искровой канал радиусом 0,1 см, который при длине в несколько сантиметров (скажем в 3 см) будет обладать объемом ~ 0,1 см3. Для его разогрева на 5000 достаточно всего W = 0,07 Дж. Энергия такой величины при напряжении наводки U около 20 кВ обеспечивается в коммуникации, емкость которой C, удовлетворяя условию
составляет всего 350 пФ. При погонной емкости 10 пФ/м опасность представляет прикосновение к коммуникации длиной даже в 35 м. Естественно, сам палец заземленного человека особого значения не имеет. Его функцию успешно выполнит любой заземленный проводящий предмет.
Мораль исключительно проста. В грозовой обстановке разумно прекратить работы на любой установке со сколько-нибудь протяженными коммуникациями, в том числе и подземными. Тем самым удается не только сохранить собственную жизнь, но и заметно снизишь опасность пожара на установке, иногда весьма дорогостоящей.
Смотрите также:
Подземные коммуникации несут опасность при ударе молнии! Э. М. Базелян
Какие требования предъявляются к молниезащите объектов нефтегазовой отрасли?
Проект молниезащиты и заземления закрытого стационарного газорегуляторного пункта (ГРП)
Как учесть рельеф местности в практической молниезащите