Elemente generale referitoare la protecția împotriva descărcărilor electrice atmosferice

Elemente generale referitoare la protecția împotriva descărcărilor electrice atmosferice

Col.dr.ing. Garibald Popescu, Academia de Poliție „Al.I.Cuza”, Facultatea de Pompieri

Conf.univ.dr.ing. Eleonora Darie, Universitatea. Tehnică de Construcții București, Facultatea de Ingineria Instalațiilor

1. Scurt istoric

Ideea referitoare la construcția paratrăsnetului aparține savantului american Benjamin Franklin (1706-1790) fizician, filozof și om politic, cu merite deosebite în domeniul electricității, coautor al ”Declarației de Independență” a Statelor Unite ale Americii (1776), idde pe care o aduce în anul 1752 la cunoștință întregii lumi, ca fiind cea mai senzațională descoperire a vremii.

Recunoașterea meritelor pe care acesta le are, a determinat imprimarea figurii lui Benjamin Franklin, pe bancnota de 100 $  S.U.A.

Contemporan cu Stephen Gray (1666-1736), care a descoperit electrizarea prin influență și conducția electrică, cu fizicianul german Franz Aepinus (1724-1802), unul dintre inventatorii condensatorului electric, cu fizicianul englez Henry Cavendish (1731-1810) care a definit,  înaintea lui Faraday, constanta dielectrică, Franklin se înscrie în Pantheonul științei ca unul dintre cei mai celebri savanți.

2. Prima instalație de paratrăsnet din România

Prima instalație de paratrăsnet construită în țara noastră a fost realizată la sfârșitul secolului al XVIII-lea, urmare căderii unui trăsnet pe turnul bisericii evanghelice din Cisnădie, județul Sibiu, la 20 mai 1795.

Datorită acestei situații, a fost investit pentru construcția instalației de paratrăsnet (prima instalație din sud-estul Europei la acel moment) renumitul Johann Conrad Klatz din Regensburg.

Construcția paratrăsnetului avea în conținut fâșii de tablă din cupru, cu lățimea de 68 mm și grosimea de 2 mm, nituite între ele; extremitatea instalației o constituia sfera din vârful turnului, înălțimea totală a acesteia fiind de aproximativ 70 m.

3. Câmpul aeroelectric la suprafața pământului

Câmpul electric natural la suprafața pământului, determinat de sarcinile electrice ale ionosferei, are o valoare medie de circa (120…130) V/m.

Această valoare corespunde în mod obișnuit zonelor de câmpie, în lipsa norilor încărcați electric.

Starea electrică a atmosferei este determinată de procese dinamice de apariție a sarcinilor electrice sub acțiunea factorilor ionizanți prin procese de recombinare și neutralizare, datorită conductivității nenule a atmosferei.

Datorită acestor procese, sarcina electrică a pământului, în ansamblul său, rămâne practic constantă și admite valori cuprinse între 4,6.105 C și 5,4.105 C.

Modificările meteorologice, prezența norilor de furtună, precipitațiile care antrenează picături încărcate electric, determină în mod obișnuit puternice modificări ale valorilor locale ale câmpului electric la suprafața pământului.

Din punct de vedere electric, atmosfera pământului trebuie considerată ca un sistem unitar, în care există simultan zone de timp frumos și zone cu intenseprocese de descărcare electrică sub formă de trăsnet sau fulger.

Dacă pe timp senin, intensitatea câmpului electric la sol, determinată de sarcina electrică negativă a pământului, este de circa (120…130)V/m, în regim perturbat câmpul electric la sol poate atinge valori de circa 100 ori mai mari, datorită sarcinii electrice pozitive indusă. Intensitatea câmpului electric variază cu altitudinea.

Prezența sarcinilor electrice în atmosferă conduce la apariția câmpuluielectricnatural al pământului.

Sub norii încărcați electric (dipoli electrici), câmpul aeroelectric poate atinge intensități ridicate, în mod uzual de circa -104 V/m, iar în cazuri excepționale -105 V/m.

În funcție de intensitatea câmpului electric sub nori, poate fi considerată următoarea clasificare: valori reduse, mai mici de 2·104 V/m; valori medii, între 2·104 V/m și  4·104 V/m; valori mari, între 4·104 V/m și 105 V/m (apar de regulă imediat înaintea generării descărcării electrice sub formă de trăsnet).

În zonele plane ale pământului, liniile echipotențiale ale câmpului aeroelectric sunt paralele cu suprafața solului.

Dacă pe suprafața solului apar obstacole, atunci forma suprafețelor echipotențiale se modifică; în zona vârfurilor rezultă o intensificare a câmpului electric, iar în zona golurilor rezultă o reducere a acestuia.

Prezența unui om cu înălțimea egală cu 1,70 m determină creșterea câmpului electric, în zona capului la aproximativ 2·102 V/m, pe timp senin și până la -5·104 V/m sub un nor încărcat electric.

Câmpul electric al pământului prezintă variații periodice, de la zi la noapte sau de la vară la iarnă. Prezența vârfurilor ascuțite (vârfurile copacilor, catargele vaselor maritime și fluviale) determină modificarea configurației câmpului electric al pământului, fiind posibilă apariția unor fenomene de descărcare electrică, numite „focurile Sfântului Elm”.

De asemenea, prezența ființelor vii determină modificarea configurației câmpului electric natural.

Din punct de vedere electric, atât arborii cât și clădirile pot fi considerate corpuri conductoare, astfel că în interiorul acestora câmpul aeroelectric este nul.

Configurația câmpului electric datorat sarcinilor din atmosferă suferă modificări în zonele de deal sau de munte.

Tipul de nor care poate determina acumularea celor mai importante cantități de sarcină electrică este Cumulonimbus.

Astfel, în cazul unui nor Cumulonimbus, mediu ca mărime, având centrul sarcinilor negative (-20 C) la altitudinea de 3 km, iar centrul sarcinilor pozitive (+20 C) la înălțimea de 6 km, determină la nivelul solului un câmp electric care pune în evidență următoarele:

• prezența unui nor încărcat electric, aflat la o înalțime de 3 km deasupra pământului, se face simțită până la circa 20 km de centrul său;

• la circa 10 km, câmpul electric este pozitiv și atinge valoarea maximă de circa  450 V/m;

• la aproximativ 6 km de axul norului, intensitatea câmpului electric la sol este nulă;

• într-o zonă circulară cu diamentrul de circa 12 km, câmpul electric la sol este negativ, sub nor putând să atingă valoarea maximă egală cu -30 kV/m (în mod uzual -10 kV/m) care corespunde unei diferențe de potențial dintre nor și pământ de aproximativ 6.104kV.

În cazul fronturilor dezvoltate pe sute sau mii de kilometri, formate din diverse tipuri de nori, aflate în diverse stadii de separare a sarcinilor electrice, intensitatea câmpului aeroelectric este mai redusă, având la nivelul solului valori între -500 V/m și +100 V/m, dar spre deosebire de norul de furtună la care are loc o neutralizare rapidă a sarcinilor datorită descarcărilor electrice, aceste valori se mențin timp îndelungat.

În cazul în care norul încărcat electric se află la o înălțime redusă față de sol sau în cazul zonelor muntoase, intensitatea câmpului electric la sol poate atinge valori până la 100 kV/m, astfel că, în punctele de curbură mare, câmpul electric foarte intens poate determina apariția unor fenomene de descărcare electrică, observabile sub forma unor egrete luminoase. Aceste descărcări sunt cunoscute sub numele de focurile ”Sfântului Elm”

Articolul integral îl puteți citi în ediția tipărită a revistei Electricianul nr. 6/2016.

Share