Elemente generale referitoare la protecția împotriva descărcărilor electrice atmosferice

1. Scurt istoric
Ideea referitoare la construcția paratrăsnetului care să asigure protecția împotriva descărcărilor electrice atmosferice 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 pentru  protecția împotriva descărcărilor electrice atmosferice -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 câmpului electric natural 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 înălțime 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 diametrul 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”

  1. Riscuri/pericole generate de electricitatea atmosferică. Efecte

Campul aeroelectric ca și descărcările electrice din atmosferă au efecte importante asupra organismelor vii. Variația caracteristicilor electrice ale atmosferei determină solicitări ale sistemelor de integrare și reglare biologică, modificarea vitezei reacțiilor chimice din celule, modificarea proceselor de transfer la nivelul membranei celulelor. Depășirea unor valori ale duratei și intensității campului electric, la care sunt expuse organismele vii, poate conduce la perturbarea activității sistemului nervos și apariția unor afecțiuni grave. Datele existente, pun in evidență că organismul uman plasat pe o durată nedefinită intr-un camp electric de 5 kV/m nu este afectat.
La valori mai mari ale campului electric, expunerea organismului uman trebuie limitată ca durată. In cazul apariției descărcărilor sub formă de trăsnet, efectele acestora se manifestă nu numai asupra obiectelor parcurse de curentul de trăsnet, ci pot fi afectate și persoane sau obiecte ațate in apropiere/la vecinătăți. Curentul de trăsnet care parcurge obiectele lovite are valori foarte diferite și este indicat in mod obișnuit prin curba de probabilitate de apariție a unei valori superioare unei valori date. In mod uzual, s-au inregistrat curenți de trăsnet cu valori de peste 30 kA. Diferențele de potențial intre nor și pămant pot să atingă (108…109) V, sarcina electrică transportată pe canalul de trăsnet poate să atingă 20 C. Energia degajată pe durata unui trăsnet este relativ redusă (1010J) datorită duratei foarte reduse a proceselor fizico-chimice (circa 100 microsecunde). Trăsnetul, ca orice fenomen electric, la trecerea printr-un  material determină:

  • efecte termice la descărcarea sub formă de trăsnet, la materialele metalice, este vizibil prin urmele de incălzire sau topire a structurilor lovite;
  • efecte termice la descărcarea sub formă de trăsnet, atunci cand acesta lovește structuri cu conductivitate redusă (copaci, stalpi, structuri din cărămidă etc.) determină fenomene locale de explozie; acestea sunt determinate de puternica incălzire locală a traseului parcurs și apariția unei puternice suprapresiuni, determinată de evaporarea bruscă a apei; la lovirea arborilor, curentul de trăsnet parcurge partea umedă (cu conductibilitate ridicată) a structurii acestora; in solurile cu rezistență electrică mare (nisip cuarțos) se produc topiri (se formează sticlă) ale nisipului, in punctul de impact al trăsnetului;
  • efect termic al descărcării sub formă de trăsnet la lovirea unor materiale combustibile (fan, paie etc.) este insoțită de expulzarea/imprăștierea explozivă, fără aprinderea acestora, dacă descărcarea este de durată redusă și de mare amplitudine; fenomenul de aprindere este posibil dacă descărcarea este de mică intensitate, dar de durată mare;

astfel de cazuri pot fi determinate de descărcările care se dezvoltă pe canalul ionizat al primei descărcări principale.
Descărcările electrice sub formă de trăsnet sau fulger determină variații rapide ale configurației sarcinilor electrice și deci variații rapide ale campului electric in zonă; acestea sunt insoțite de importante perturbații electromagnetice, cu ințuențe negative asupra sistemelor de transfer al informațiilor prin radio.

Fapte și evenimente conexe

Se menționează faptul că, dintre descărcările electrice atmosferice, atestate documentar pe teritoriul țării noastre, in București, este cunoscut evenimentul din data de 15 iunie 1691, cand un trăsnet s-a descărat pe un depozit care adăpostea muniție sub formă de praf/pulbere de pușcă.
Puternica evoluție industrială incepută la sfarșitul secolului al XIX-lea, utilizarea din ce in ce mai intensă a produselor petroliere, dezvoltarea industriei chimice ca și realizarea unor materiale cu caracteristici superioare, au generat o serie de consecințe datorită inițierii unor descărcări electrice.
In istoria contemporană, unul dintre cele mai cunoscute accidente, care a avut drept cauză electricitatea statică in conexiune cu electricitatea atmosferică, care s-a soldat cu decesul a 36 pasageri, este cel al dirijabilului Hindenburg, care zbura pe ruta Frankfurt – New York. Dirijabilul, cel mai mare din lume in acel moment, făcea parte din țota Zeppelin Company (Germania), fiind  rezultatul a peste 50 de ani de experiență in domeniu.
In noaptea de 14 spre 15 aprilie 1718, in Bretagne, Franța, au fost deteriorate 24 de biserici, datorită descărcărilor electrice atmosferice.
Este un record faptul că un american, pe numele său Roy C. Sullivan, a fost trăsnit de 7 ori intr-o perioadă de 35 de ani, acesta reușind să supraviețuiască de fiecare dată descărcărilor electrice la care a fost supus; se apreciază că acesta reprezintă un caz unic, fiind considerat, singurul om din istorie cu o asemenea performanță; “omul paratrăsnet”, așa cum a fost denumit ulterior, a decedat in anul 1983; acesta s-a născut in anul 1912, in statul Virginia și a lucrat toată viața ca pădurar.
De notorietate este și faptul că un stejar evaluat cu varsta intre (800…1000) de ani, situat in centrul Varșoviei, a fost lovit de un trăsnet fără a fi afectat, inainte de anul 2000; ulterior, pentru controlul riscurilor/pericolelor la descărcări urmare generării de trăsnete, autoritățile locale au dispus măsuri de protejare a arborelui, prin intermediul unei instalații de paratrăsnet, dat fiind faptul că acesta, conform concluziei unor experți germani, mai are de „trăit” destul.
Pe teritoriul Statelor Unite ale Americii peste 100 de persoane anual sunt lovite de descărcările electrice atmosferice. Clădirea Empire State, este lovită anual de aproximativ  23 de trăsnete.
Tornadele iau naștere din furtuni cu descărcări electrice atmosferice; tornada cu cele mai mari consecințe pe teritoriul S.U.A. a avut loc in anul 1999, in Oklahoma City, urmare căreia s-au inregistrat 41 de decese și pagube materiale de aproximativ 1 miliard de dolari S.U.A.
Norii prezintă proprietatea că pot să se încarce electric, dezvoltarea lor putand fi foarte rapidă in raport cu timpul, riscul de descărcare electrică atmosferică devenind in timp redus stare de pericol potențial pentru personalul navigant de pe aeronavele civile/militare, planoriști, agricultori,excursioniști, alpiniști, pentru cei care desfășoară activități sportive pe stadioane etc.
În Romania, un exemplu cu consecințe nefaste îl prezintă descărcările electrice atmosferice manifestate in județul Timiș, localitatea Ghiroda, in data de 7 iulie 2002, unde 7 dintre cei 20 de localnici care jucau fotbal pe stadionul local au fost loviți de descărcările electrice atmosferice; in acest mod a fost inregistrat decesul unei persoane, celelalte fiind salvate, avand doar răni de suprafață.
In Romania, Comitetul Tehnic Roman de Electrostatică desfășoară o intensă activitate in domeniu și face parte cu drept de vot, din Comitetul de Electrostatică CT – 101 a Comisiei Internaționale de Elctrotehnică, organism de specialitate care se ocupă cu elaborarea de standarde și documente in domeniul electrostaticii.

În figura de mai su   se prezintă sistemul de protecție impotriva căderilor la trăsnet pentru elicopterul EC – 135  P- SMURD, locație – Facultatea de Pompieri, aprilie 2015.

  1. Concluzii

Trăsnetul este insoțit de apariția unor curenți electrici intenși care se propagă pe circuitul realizat, cuprinde un canal de plasmă, iar in apropierea pămantului pot fi cuprinse in circuitul electric inclusiv elemente conductoare conectate la pămant (circuite de paratrăsnet, arbori, turle ale bisericilor, rezervoare pentru stocarea unor cantități de apă,rezervoare metalice industriale etc.). In prezent, sunt elaborate reguli și măsuri de protecție,care permit controlul riscurilor/pericolelor determinate de loviturile de trăsnet. Neglijarea sau necunoașterea regulilor și măsurilor de prevenire pot genera daune importante, determinate de incendii care se inițiază ca urmare a loviturilor de trăsnet. Protecția descărcărilor electrice atmosferice este  obligatorie pentru siguranța clădirilor și instalațiilor.

Bibliografie
[1] Golovanov,N., Popescu, G., Dumitrana T., Coatu,S.-Evaluarea riscurilor generate de descărcările electrostatice,  Editura Tehnică București, 2000.
[2] ***Primul paratrăsnet din Romania, Revista Știință și  Tehnică nr.10/1986.
[3] Popescu, G., Hărcău, O.,C. – Riscuri determinate de  electricitatea atmosferică, Buletinul Pompierilor 1/2005,  Editura Ministerului Administrației și Internelor,
București, 2005.

Autori: 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

Notă: articolul a apărut în numărul 6/2016 al revistei ELECTRICIANUL

Share