Vraag:
Is het mogelijk om een ​​bliksemafleider te overbelasten?
CraigularB
2014-07-11 00:47:37 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Een paar weken geleden hadden we een grote stormrol door de omgeving van Chicago. Ik zag hoe de wolkenkrabbers van de stad de hele nacht meerdere keren door bliksem werden getroffen en vertelde het de volgende ochtend aan mijn collega.

Dat zette ons allebei aan het denken: is er een maximale belasting die een bliksemafleider / bliksemafvoer systeem aankan? Is het mogelijk om een ​​staaf op een gebouw als de Sears Tower te overbelasten of uit te branden? Hoe groot / langdurig van een blikseminslag zou je nodig hebben om dat te laten gebeuren?

(Dit staat ook op de Earth Sciences SE waar iemand voorstelde om het hier te plaatsen)

Ik denk niet dat het zo overbelast zou zijn als het zou smelten.Maar ik ben geïnteresseerd om te zien wat iedereen zegt
Het is zeker mogelijk.Bliksem is slechts een elektrische ontlading, dus je zou een grote stroom kunnen sturen die in combinatie met de weerstand van de staaf een grote hoeveelheid warmte in de staaf zou ophopen.Zoals @Jim zei, zou dit ervoor kunnen zorgen dat de staaf smelt.Als je vanavond geen antwoord krijgt, zal ik je de details vertellen als ik wat extra tijd heb.
De zwakste schakel (hoogste weerstand en / of impedantie) van de bliksemafleider en het aardingssysteem zal het meest opwarmen en zal het meest waarschijnlijk doorsmelten (mislukken).In een wolkenkrabber is er over het algemeen voldoende geleiding via geklonken stalen balkverbindingen om het frame te laten fungeren als een pad naar de grond, hoewel er koperen banden kunnen worden toegevoegd.Voor een constructie van gewapend beton zou er waarschijnlijk een expliciet bliksem-aardingssysteem zijn.
Bliksemafleiders _kunnen_ schade oplopen door ontploffing en erosie door herhaalde stakingen, en moeten worden gerepareerd of vervangen.Metalen beelden bovenop monumenten en gebouwen fungeren als bliksemafleiders, en na een tijdje raken ze sterk ontpit en moeten ze worden gerepareerd.
Een antwoord:
Phil Frost
2014-07-11 01:38:16 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Ja, het is mogelijk. Maar ik weet zeker dat de ingenieurs van de Sears Tower daar rekening mee hebben gehouden.

Catastrofaal falen van de hengel is vrij eenvoudig. Verlichting is een ton elektrische stroom en de staaf heeft enige weerstand. Stroom door een weerstand maakt warmte door joule-verwarming, wat zegt dat het vermogen evenredig is met de weerstand maal het kwadraat van de stroom.

Een grote slag kan stromen hebben tot 120 kA . De soortelijke weerstand van koper is ongeveer $ 1,68 \ cdot 10 ^ {- 8} \ Omega \ mathrm m $, dus de weerstand van een typische aardingsstaaf die wordt gebruikt in Amerikaanse woningbouw (5/8 in diameter, 8 voet lang) is zoiets als:

$$ \ frac {1.68 \ cdot 10 ^ {- 8} \ Omega \ mathrm m \ cdot 2.5 \ mathrm m} {2 \ cdot 10 ^ {- 4 } \ mathrm m ^ 2} = 0.21 \ mathrm m \ Omega $$

Nu, verlichting is een vrij snelle puls, dus veel van de energie zal hoogfrequent zijn, dus onze koperen staaf zal worden blootgesteld tegen huideffect, waardoor de weerstand effectief met een factor wordt verhoogd, afhankelijk van de frequentie. Laten we, om onze schatting kort te houden, de volledige Fourier-analyse over verlichting overslaan en zeggen dat de weerstand met een orde van grootte toeneemt. Dus de weerstand van een grondstaaf is zoiets als $ 2 \ mathrm m \ Omega $.

Volgens Joule is het vermogen in de staaf:

$$ 2 \ mathrm m \ Omega (120 \ mathrm {kA}) ^ 2 = 28800 \ mathrm {kW} $$

Wauw! Maar blikseminslagen zijn ook erg kort. Een grote staking brengt misschien 350 coulombs over. Achterwaarts werken, als de stroom constant 120kA was, dan zou het overbrengen van zoveel lading kosten:

$$ \ frac {350 \ mathrm C} {120 \ mathrm {kA}} \ approx 3 \ mathrm {ms} $$

Dus al dat vermogen voor die 3mS betekent een totale energie van:

$$ 28800 \ mathrm {kW} \ cdot 3 \ mathrm {ms} = 84 \ mathrm {kJ} $$

Wolfram Alpha plaatst dat in perspectief met betrekking tot de energie die vrijkomt bij het verbranden van twee gram benzine.

Ga nu verder met het berekenen van de warmtecapaciteit van onze aardingsstaaf, en bereken hoeveel heter deze energie de staaf zou maken, en bepaal of dat voldoende is om hem te smelten. Maar door intuïtie en ervaring kan ik je vertellen dat je met twee gram benzine een aardingspen behoorlijk heet kunt maken, maar niet kunt smelten.

Natuurlijk zijn er allerlei effecten waarvoor wij zijn niet boekhoudkundig. Blikseminslagen zijn zo snel dat we rekening moeten houden met de inductie en thermische weerstand van alles. De delen van het aardingssysteem die de meeste stroom dragen (het oppervlak van de staaf), krijgen het snelst het heetst. Maar ook helpt de inductantie van het hele aardingssysteem om de stroom te beperken door deze over een langere tijd te spreiden (de energie tijdelijk opslaan in het veld van de inductantie). En aangezien het vermogen evenredig is met het kwadraat van de stroom, betekent het verplaatsen van dezelfde hoeveelheid lading over een langere periode aanzienlijk minder Joule-verwarming in de geleiders.

Ook heeft de Sears-toren niet slechts één kleine grondstaaf. Het heeft enorme stalen palen die veel dieper gaan dan 8 voet en die vele ordes van grootte groter zijn.

Wat betreft de opeenstapeling van meerdere aanvallen om schade te veroorzaken, betwijfel ik het. Zelfs in een grote storm is de tijd tussen stakingen erg lang in verhouding tot de duur van de individuele stakingen. In deze hele tijd heeft alles dat heet werd de tijd om zijn warmte over te dragen aan minder hete dingen in de buurt. De stukjes in de grond hebben de hele aarde als koellichaam. De stukjes boven de grond zijn enorm groot.

Dit lijkt misschien contra-intuïtief, want bliksem is immers echt krachtig, toch? Ik bedoel, het is super helder en luid. Maar bedenk dat de meeste energie in de aanval in de lichtflits gaat en de lucht verwarmt en onweer veroorzaakt. Hoewel een blikseminslag inderdaad een ton energie vrijgeeft, wordt het meeste besteed aan de lucht en aan elektromagnetische straling. Het enige wat we hoeven te doen is een pad voor de stroom te bieden, en het kost veel minder energie om stroom door een metalen staaf te laten bewegen dan door lucht. De metalen staaf hoeft dus niet de meeste energie op te nemen.

Kortom, ** JA ** het is mogelijk ** maar ** bliksemafleiders en, nog belangrijker, blikseminslagbeheersystemen zijn ontworpen om de aanvallen te weerstaan.
Waarom zijn uw berekeningen gebaseerd op de dikke, stijve aardingsstaaf die in de grond is geslagen, en niet op de (relatief) flexibele 1/4 inch koperdraad of 3/8 inch aluminium draad die de bliksemafleider met de grond verbindt?
@DavidCary het bliksembeveiligingssysteem van een wolkenkrabber is gemaakt van materialen die veel sterker zijn dan zelfs de nietige grondstaaf in de berekeningen.Zoals stalen balken en zo.In toepassingen waar geen handige wolkenkrabber aanwezig is (bijvoorbeeld zendmasten voor radio), worden de verbindingen gemaakt met stevige [koperen aardingsband] (http://www.gacopper.com/022-CopperStrap.html), meestal 0,022"dik en 2" breed.De elektrische bedrading (naar de stopcontacten en wat niet) in een goed ontworpen systeem neemt geen enkele slagstroom op.
Oh oke.Bij verschillende gebouwen met twee verdiepingen in mijn omgeving zit echter een draad van de bliksemafleiders op het dak naar een aardpen die in de grond is geslagen.[Hoor ik] (http://www.lightningrod.com/faq.php) "Lightning-kabel moet ten minste 59.450 cirkelvormige mils geleidbaarheid hebben."(dat is ongeveer 1/4 "diameter). Een 0,022" x2 "riem is ongeveer 56.000 cirkelvormige mils - minder vlezig, toch? P. 5 van [" Hoe werkt een bliksemafleider "] (http: // www.ira.usf.edu/cam/exhibitions/1998_12_McCollum/supplemental_didactics/21.Uman2.pdf) vermeldt "De Amerikaanse bliksemcode suggereert ongeveer 1/4 inch diameter koperdraad".
Ik denk dat je $ \ text {ms} $ bedoelde als je tijdseenheid?(dat wil zeggen kleine letters)
@DavidZ Ik wilde net hetzelfde vragen.Ik ben echt benieuwd.Ik heb dat veel gezien in Amerikaanse bronnen.1 S (siemens) is de eenheid van geleiding (1 / Ω);1 s (seconde) is de tijdseenheid.
@DavidCary Ik vermoed dat als de lichtbescherming op de Sears Tower niets anders was dan zo'n draad, je * uiteindelijk * enige schade zou zien.De meeste aanvallen zijn kleiner dan het voorbeeld dat ik gebruikte (onthoud dat de term $ I ^ 2 $) en kleine gebouwen worden niet veel geraakt.Maar de Sears-toren wordt * veel * geraakt, zoals [50-100 keer per jaar] (http://stormhighway.com/lightning_strikes_sears_tower.php).En er zitten veel meer zielen in, en het is moeilijker te evacueren, en reparaties zijn duurder en het systeem is moeilijker te inspecteren, dus de technische drempels zijn dienovereenkomstig hoger.
De gemiddelde tijd voor een bliksemschicht is $ 30 \ mu s $.Als een massieve elektronenbout is bliksem gelijkstroom.Net zoals het sluiten van een gelijkstroomcircuit voor $ 30 mu s $, is de elektriciteit nog steeds gelijkstroom, er loopt geen stroomfase in de omgekeerde richting.
@Jim Dat de stroom niet van richting verandert, maakt de effecten van een hoge $ \ mathrm {d} i / \ mathrm {d} t $ (inductantie, skin-effect, ....) niet irrelevant.Een vierkante puls van 30 μs van zeg maar 100 kA komt overeen met een constante stroom van 50 kA, plus een reeks AC, sinusvormige stromen bij oneven harmonische frequenties die elk in amplitude afnemen maar zich uitstrekken tot een oneindige frequentie.Zie [Fourier-analyse] (http://en.wikipedia.org/wiki/Fourier_analysis).Door [superpositie] (http://en.wikipedia.org/wiki/Superposition_theorem) kunnen we elk van deze componenten afzonderlijk beschouwen.
Ik weet hoe een blokgolf eruitziet.Ik had alleen bezwaar tegen de "veel van de energie zal een hogere frequentie zijn".De meeste energie van een blokgolfpuls is op de lagere frequentie.En de $ 30 \ mu s $ was een apart punt bedoeld om je schattingen te corrigeren die je $ 3ms $ opleverden, wat ongeveer 100 keer te groot is voor een enkele bliksemschicht.
@Jim Toegegeven, ik heb net de getallen van Wikipedia doorzocht, maar ik heb wel getallen genomen voor een "zeer grote" slag om aan te tonen dat zelfs een kanjer niet veel kwaad kan doen aan een koperen staaf.Als u een verwijzing heeft die de elektrische details van verlichting in meer detail karakteriseert, zou dat een uitstekende aanvulling zijn.In ieder geval, de meeste energie bevindt zich in de lagere frequenties in een puls, maar voor zo'n korte puls zijn die "lagere" frequenties behoorlijk hoog.Hoog genoeg om het skin-effect zeker niet te negeren.* Geen * van de energie is op 0 Hz.
Blikseminslagen _do_ keren meestal de richting om en stromen heen en weer ("klotsen") gedurende enkele milliseconden.Dit kan al dan niet significante hoogfrequente golfvormen hebben, maar het kan geen kwaad om aan te nemen dat ze dat wel doen, om te bepalen welke geleidbaarheid nodig is.Het is beter om een bliksemafleider en zijn aarding te over-engineering dan om de plaats af te branden.


ⓘ
Deze Q&A is automatisch vertaald vanuit de Engelse taal.De originele inhoud is beschikbaar op stackexchange, waarvoor we bedanken voor de cc by-sa 3.0-licentie waaronder het wordt gedistribueerd.
Loading...