Kuinka suojella itseäsi salamannopealta

Salama herätti ihmisen mielikuvitusta ja halua tuntea maailman. Hän toi tulta maahan ja kesyttääkseen sen ihmiset muuttuivat voimakkaammiksi. Emme vielä luota tämän valtavan luonnonilmiön valloittamiseen, mutta haluamme "rauhanomaisen rinnakkaiselon". Loppujen lopuksi: mitä täydellisempi laitteemme luomme, sitä vaarallisempi ilmakehän sähkö on sitä varten. Yksi suojausmenetelmistä on alustavasti, erityisen simulaattorin avulla, arvioida teollisuuslaitosten haavoittuvuus salaman nykyiselle ja sähkömagneettiselle kentälle.

Toukokuun alun myrskyn rakastaminen on helppoa runoilijoille ja taiteilijoille. Voimansiirtotekniikka, signaalimies tai astronautti eivät ole iloisia ukkoskauden alusta: hän lupaa liikaa vaivaa. Keskimäärin jokainen Venäjän neliökilometri antaa vuosittain noin kolme salamaiskua. Niiden sähkövirta nousee 30 000 A: iin, ja tehokkaimmissa purkauksissa se voi ylittää 200 000 A. Lämpötila hyvin ionisoidussa, jopa kohtuullisen salamannopeassa plasmakanavassa voi nousta 30 000 ° C: seen, joka on useita kertoja korkeampi kuin hitsauskoneen sähkökaarissa. Ja tietenkin, tämä ei pidä hyvää monille teknisille laitteille. Suoran salaman aiheuttamat tulipalot ja räjähdykset ovat asiantuntijoiden hyvin tiedossa. Mutta tavalliset ihmiset liioittelevat selvästi tällaisen tapahtuman riskin.

Ostankino-tv-tornin lipputangon kärki. Uudelleenvirtauksen jäljet ​​ovat näkyvissä.Todellisuudessa taivaallinen sähkösytytin ei ole niin tehokas. Kuvittele: yrität tehdä tulta hirmumyrskyn aikana, kun voimakkaan tuulen vuoksi on vaikea sytyttää jopa kuivia olkia. Ilmavirta salamakanavalta on vielä voimakkaampi: sen purkautuminen aiheuttaa iskuaallon, jonka myrskyinen rypistyminen hajoaa ja sammuttaa liekin. Paradoksi, mutta heikko salama on palovaara, varsinkin jos noin 100 A: n virta virtaa kanavansa läpi kymmenen sekunnin ajan (ikäinä kipinäpurkausmaailmassa!), Jälkimmäinen ei eroa paljon kaarista, ja sähkökaari sytyttää kaiken, mikä voi palaa.

Normaalikorkeuden rakennuksessa salamanisku ei kuitenkaan ole yleinen tapaus. Kokemus ja teoria osoittavat: sitä “houkuttelee” maarakenne etäisyydeltä sen kolmesta korkeudesta. Kymmenkerroksinen torni kerää noin 0,08 salamaa vuodessa, ts. keskimäärin 1 osuma 12,5 käyttövuoden aikana. Mökki, jossa on ullakko, on noin 25 kertaa pienempi: omistajan on keskimäärin odotettava noin 300 vuotta.

Älkäämme kuitenkaan vähentäkö vaaraa. Tosiaankin, jos salama iskee ainakin yhteen 300–400 kyläkodista, paikalliset asukkaat eivät todennäköisesti pidä tätä tapahtumaa merkityksettömänä. Mutta on esineitä, joiden pituus on paljon suurempi - sanoisinkin voimajohdot (NEP). Niiden pituus voi olla yli 100 km, korkeus 30 m. Tämä tarkoittaa, että kukin niistä kerää iskuja oikealta ja vasemmalta, 90 m leveillä nauhoilla. Salaman "vetämisen" kokonaispinta-ala on yli 18 km2, niiden lukumäärä on 50 vuodessa. Tietysti linjan terästuet eivät pala, langat eivät sula. Salama iskee noin 30 kertaa vuodessa Ostankino-tornin (Moskova) lipputangon kärjessä, mutta mitään kauheaa ei tapahdu. Ja ymmärtääksesi miksi ne ovat vaarallisia voimalinjoille, sinun on tiedettävä sähköisten, ei lämpövaikutusten luonne.

PÄÄVALON VALO

Sähköjohdon tukeen osuessa virta virtaa maahan maanresistanssin kautta, joka on yleensä 10-30 ohmia. Samanaikaisesti Ohmin laki jopa "keskimääräinen" salama, jonka virta on 30 000 A, luo jännitteen 300-900 kV ja voimakas - useita kertoja enemmän. Joten on salaman nousua. Jos ne saavuttavat megavoltin tason, voimajohtojen eristys ei nouse pystyyn ja murtuu läpi. Oikosulku tapahtuu. Linja on irrotettu. Vielä pahempaa, kun salaman kanava murtuu suoraan johtoihin.Silloin ylijännite on suuruusluokkaa suurempi kuin tukivaurioilla. Tämän ilmiön torjunta on edelleen sähköteollisuuden vaikea tehtävä. Lisäksi tekniikan parantuessa sen monimutkaisuus vain kasvaa.

Ostankino-tv-torni toimi salamannopeaan ohitettuaan salamaniskua 200 metriä huipun alapuolelle. Ihmiskunnan nopeasti kasvavien energiantarpeiden tyydyttämiseksi modernit voimalaitokset on yhdistettävä tehokkaiksi järjestelmiksi. Yhtenäinen energiajärjestelmä toimii nyt Venäjällä: kaikki sen laitokset toimivat toisiinsa kytkettynä. Siksi yhdenkin voimansiirtolinjan tai voimalaitoksen vahingossa tapahtuva vika voi johtaa vakaviin seurauksiin kuin Moskovassa toukokuussa 2005. Tapahtumia maailmassa on havaittu paljon. Yksi niistä aiheutti miljoonan dollarin vahinkoa Yhdysvalloissa vuonna 1968. Sitten salamanpurkaus sammutti yhden voimalinjan, eikä sähköjärjestelmä kyennyt selviytymään syntyneestä energiavajeesta.

Ei ole yllättävää, että asiantuntijat kiinnittävät asianmukaista huomiota voimalinjojen suojaamiseen salamannopealta. Yli 110 kV: n jännitteellä olevien johtojen koko pituudella ripustetaan erityisiä metallikaapeleita, jotka yrittävät suojata johdot suoralta kosketukselta ylhäältä. Niiden eristys on maksimoitu, tukien maadoitusvastus on erittäin vähentynyt, ja ylijännitteiden rajoittamiseen käytetään puolijohdelaitteita, kuten sellaisia, jotka suojaavat tietokoneiden tai korkealaatuisten televisioiden syöttöpiirejä. Totta, niiden samankaltaisuus on vain toiminnan periaatteessa, mutta lineaaristen rajoittimien toimintajännite on arvioitu miljoonina volteina - arvioi salamannopea suojauksen kustannustaso!

Ihmiset kysyvät usein, onko mahdollista suunnitella täysin salamannopea linja? Vastaus on kyllä. Mutta tässä kaksi väistämätöntä kysymystä on väistämätöntä: kuka sitä tarvitsee ja kuinka paljon se maksaa? Itse asiassa, jos luotettavasti suojattua voimansiirtolinjaa ei voida vaurioittaa, on esimerkiksi mahdollista muodostaa väärä komento linjan katkaisemiseksi tai yksinkertaisesti tuhota pienjänniteautomaatiopiirit, jotka nykyaikaisessa suunnittelussa on rakennettu mikroprosessoritekniikkaan. Sirujen käyttöjännite laskee vuosittain. Nykyään se lasketaan voltin yksiköinä. Siellä on tilaa salamannopea! Ja suoraa lakkoa ei tarvita, koska se pystyy toimimaan etäältä ja heti laajoilla alueilla. Sen pääase on sähkömagneettinen kenttä. Edellä mainittiin salamavirrasta, vaikka sekä virta että sen kasvunopeus ovat tärkeitä arvioitaessa magneettisen induktion sähkömoottorivoimaa. Salamavalossa viimeksi mainittu voi ylittää 2 1011 A / s. Missä tahansa piirissä, jonka pinta-ala on 1 m2 100 m etäisyydellä salamakanavasta, tällainen virta indusoi noin kaksi kertaa suuremman jännitteen kuin asuinrakennuksen poistoaukkoissa. Yhden voltin jännitteelle suunniteltujen mikrosirujen kohtalo ei tarvitse kuvitella paljon.

Maailman käytännössä on paljon vakavia onnettomuuksia, jotka johtuvat salamanohjauspiirien tuhoutumisesta. Tähän luetteloon sisältyy lentokoneiden ja avaruusalusten lentokoneiden vaurioita, korkeajännitejohtojen kokonaisten "pakettien" väärät sammutukset ja antenni-matkaviestinjärjestelmien laitteiden viat. Valitettavasti huomattava paikka on täällä tavallisten kansalaisten taskuun kohdistuvien vahinkojen takia, jotka aiheutuvat kodinkoneiden vahingoista, mikä yhä enemmän täyttää kotimme.

SUOJAUSMENETELMÄT

Olemme tottuneet luottamaan salamasuojaukseen. Muistatko oodin XVIII vuosisadan suurelle tiedemiehelle, akateemikolle Mihail Lomonosoville heidän keksinnöstään? Kuuluisa maanmieheni oli iloinen voitosta, sanoi, että taivaallinen tuli on lakannut olemasta vaarallinen. Tietenkin tämä asuinrakennuksen katolla oleva laite ei salli salaman syttyä puulattialle tai muille palaville rakennusmateriaaleille. Sähkömagneettisten vaikutusten suhteen hän on voimaton. Sillä ei ole merkitystä, virtaako salamavirta kanavallaan tai salamanvarren metallitankojen läpi, se kuitenkin erottaa magneettikentän ja indusoi vaarallisen jännitteen magneettisen induktion takia sisäisissä sähköpiireissä. Tämän torjumiseksi tehokkaasti tarvitaan salamanvarren katkaisemaan purkauskanava etälähestymisissä suojattuun esineeseen, ts. muuttuvat erittäin korkeiksi, koska indusoitu jännite on käänteisesti verrannollinen etäisyyteen virtajohtimeen.

Nykyään tällaisten erikorkuisten rakenteiden käytöstä on saatu hieno kokemus.Tilastot eivät kuitenkaan ole kovin lohduttavia. Vauvan salaman tangon suojavyöhyke esitetään yleensä kartion muodossa, jonka akseli se on, mutta kärjen ollessa hieman alapään yläpuolella. Yleensä 30 metrin “ydin” tarjoaa rakennuksen suojauksen 99-prosenttisen luotettavuuden, jos se nousee noin 6 metriä sen yläpuolelle. Tämän saavuttaminen ei ole ongelma. Mutta salamatangon korkeuden kasvaessa etäisyys sen yläosasta "peitettyyn" esineeseen, joka on minimaalinen tyydyttävän suojan kannalta välttämätön, kasvaa nopeasti. 200 metrin rakenteella, jolla on sama luotettavuusaste, tämä parametri on jo yli 60 m ja 500 metrin rakenteessa - 200 m.

Edellä mainitussa Ostankinon tv-tornissa on myös samanlainen rooli: se ei pysty suojaamaan itseään, se kaipaa salamaiskuja 200 metrin etäisyydellä huipusta. Suojavyöhykkeen säde maanpinnalla korkeilla salamannopeilla sauvoilla kasvaa myös voimakkaasti: 30 metrin metrillä se on verrattavissa sen korkeuteen, samalle tv-tornille - 1/5 korkeudesta.

Toisin sanoen, ei voi toivoa, että perinteisen mallin salamalaitteet kykenevät sieppaamaan salaman kaukaisissa lähestymiskohteissa esineeseen, varsinkin jos jälkimmäinen vie suuren osan maan pinnasta. Tämä tarkoittaa, että meidän on otettava huomioon todellinen todennäköisyys salaman purkamisesta voimalaitosten ja sähköasemien, lentokenttien, nestemäisten ja kaasumaisten polttoaineiden varastojen, laajennettujen antennikenttien alueelle. Maassa leviävä salamavirta pääsee osittain nykyaikaisten teknisten kohteiden lukuisiin maanalaisiin viestintään. Pääsääntöisesti on olemassa automaatio-, ohjaus- ja tietojenkäsittelyjärjestelmien sähköpiirejä - edellä mainitut erittäin mikroelektroniset laitteet. Muuten, maan virtojen laskeminen on monimutkaista jopa yksinkertaisimmassakin formulaatiossa. Vaikeudet pahenevat useimpien maaperän voimakkaiden muutosten takia, riippuen niistä leviävien kiloamperevirtojen voimakkuudesta, jotka ovat vain tunnusomaisia ​​ilmakehän sähkönpurkauksille. Ohmin lakia ei sovelleta sellaisten epälineaaristen vastusten piirien laskemiseen.

Maaperän "epälineaarisuuteen" lisätään todennäköisyys, että siihen muodostuu laajennettuja kipinökanavia. Kaapelilinjojen korjaushenkilöstö tuntee hyvin tällaisen kuvan. Ura ulottuu maata pitkin metsän reunan korkeasta puusta, kuin aurasta tai vanhasta aulasta ja hajoaa juuri tässä paikassa vaurioituneen maanalaisen puhelinkaapelin radan yläpuolelle - metallilevy rypistyi, ytimien eristys tuhoutuu. Joten salaman vaikutus ilmeni. Hän iski puuhun, ja sen virta, leviäen juurille, aiheutti voimakkaan sähkökentän maahan, muodosti plasman kipinökanavan siihen. Itse asiassa salama jatkoi kehitystään, niin kuin se oli, paitsi ilman kautta, mutta myös maassa. Ja niin se voi ohittaa kymmeniä ja erityisen huonosti johtavissa virtausmaissa (kivinen tai ikirouta) ja satoja metrejä. Läpimurtoa esineeseen ei suoriteta perinteisellä tavalla - ylhäältä päin, vaan ohittamalla mahdolliset salamatangot alhaalta. Liukuvat päästöt maaperän pinnalla toistuvat laboratoriossa hyvin. Kaikki nämä monimutkaiset ja erittäin epälineaariset ilmiöt tarvitsevat kokeellista tutkimusta, mallintamista.

Virta purkauksen muodostamiseksi voidaan tuottaa keinotekoisella pulssilähteellä. Energiaa kerääntyy noin minuutti kondensaattoripankkiin, ja sitten "läikkyy" uima-altaaseen maaperän kanssa kymmenessä mikrosekunnissa. Tällaisia ​​kapasitiivisia taajuusmuuttajia on monissa korkeajännitteisissä tutkimuskeskuksissa. Niiden mitat nousevat kymmeniä metriä, massa - kymmeniä tonneja. Tätä ei voi toimittaa sähköaseman tai muun teollisuuslaitoksen alueelle, jotta salamavirtojen leviämisen ehdot voidaan toistaa täysin. Tämä on mahdollista vain vahingossa, kun esine on korkeajännitetelineen vieressä - esimerkiksi Siperian Energiainstituutin avoimessa asennuksessa 110 kV: n voimajohdon viereen sijoitetaan pulssitettu korkeajännitegeneraattori. Mutta tämä on tietysti poikkeus.

Salamavalosimulaattori

Itse asiassa tämän ei pitäisi olla ainutlaatuinen kokeilu, vaan tavallinen tilanne.Asiantuntijat tarvitsevat kipeästi salamannopean täyden mittakaavan simulaatiota, koska tämä on ainoa tapa saada luotettava kuva virran jakautumisesta maanalaisissa laitoksissa, mitata sähkömagneettisen kentän vaikutuksia mikroprosessoritekniikkalaitteisiin ja määrittää liukuvien kipinäkanavien etenemiskuvio. Vastaavien testien tulisi olla laajalle levinneitä ja ne tulisi suorittaa ennen kunkin täysin uuden vastuullisen teknisen laitteen käyttöönottoa, kuten on jo kauan tehty ilmailussa ja astronautiikassa. Nykyään ei ole muuta vaihtoehtoa kuin luoda tehokas, mutta pienikokoinen ja mobiili pulssivirtojen lähde salamavirtaparametreilla. Sen prototyyppimalli on jo olemassa, ja se testattiin menestyksekkäästi Doninon sähköasemalla (110 kV) syyskuussa 2005. Kaikki laitteet sijoitettiin Volgan sarjan tehtaalla perävaunuun.

Mobiili testikompleksi perustuu generaattoriin, joka muuntaa räjähdyksen mekaanisen energian sähköenergiaksi. Tämä prosessi tunnetaan yleensä hyvin: se tapahtuu missä tahansa sähkökoneessa, jossa mekaaninen voima ajaa roottoria vastapainona sen vaikutuksesta staattorin magneettikentään. Perusero on erittäin suuri energian vapautumisnopeus räjähdyksen aikana, joka kiihdyttää nopeasti kelan sisällä olevaa metallimäntä (vuoraus). Se syrjäyttää magneettikentän mikrosekuntina, aikaansaaden korkeajännitteen virityksen pulssimuuntajassa. Pulssimuuntajalla suoritetun lisävahvistuksen jälkeen jännite tuottaa virtaa testiobjektiin. Tämän laitteen idea kuuluu erinomaiselle maanmiehellemme, vetypommin "isälle", akateemikolle A.D. Saharov.

Räjähdys erityisessä lujassa kammiossa tuhoaa vain 0,5 metrin pituisen kelan ja sen sisällä olevan vuorauksen. Generaattorin jäljellä olevia elementtejä käytetään toistuvasti. Piiri voidaan säätää siten, että generoidun pulssin kasvunopeus ja kesto vastaavat samanlaisia ​​salamavirtaparametreja. Lisäksi on mahdollista ”ajaa” sitä pitkään esineeseen, esimerkiksi johtoon voimansiirtolinjojen tukien välissä, nykyaikaisen sähköaseman maasilmukkaan tai matkustajakoneen runkoon.

Kun testattiin prototyyppigeneraattorinäytettä, kammioon laitettiin vain 250 g räjähteitä. Tämä riittää muodostamaan virtapulssin, jonka amplitudi on korkeintaan 20 000 A. Kuitenkaan ensimmäistä kertaa heillä ei ollut niin radikaalia vaikutusta - virta oli rajoitettu keinotekoisesti. Asennuksen alussa räjähdyskamera oli vain kevyesti popping. Ja sitten digitaalisten oskilloskooppien tietueet, jotka sitten tarkistettiin, osoittivat: virran pulssi, jolla on annetut parametrit, johdettiin onnistuneesti sähköaseman salamajohtimeen. Anturit havaitsivat virran nousun maasilmukan eri kohdissa.

Nyt kokopäiväinen kompleksi on valmisteilla. Se viritetään täysimittaiseen salamavirtojen simulointiin ja samalla asetetaan sarjakuorma-auton takaosaan. Generaattorin räjähtävä kammio on suunniteltu toimimaan 2 kg: n räjähteiden kanssa. On syytä uskoa, että kompleksi on universaali. Sen avulla on mahdollista testata sähkövoiman lisäksi myös uusien laitteiden muita suurikokoisia esineitä virtauksen ja salaman sähkömagneettisen kentän vaikutuksille: ydinvoimalat, tietoliikennelaitteet, ohjusjärjestelmät jne.

Haluaisin viimeistellä artikkelin merkittävällä huomautuksella, etenkin koska siihen on syitä. Kokopäiväisen testauslaitoksen käyttöönotto antaa objektiivisen arvioinnin edistyneimpien suojavälineiden tehokkuudesta. Jonkin verran tyytymättömyyttä on kuitenkin edelleen. Itse asiassa henkilö seuraa taas salaman esimerkkiä ja pakottaa sietämään tahtonsa menettäen samalla paljon rahaa. Ukkossuojausvälineiden käyttö johtaa esineen koon ja painon lisääntymiseen, niukkojen materiaalien kustannukset kasvavat.Paradoksaaliset tilanteet ovat melko todellisia, kun suojavälineiden koot ylittävät suojatun rakenneosan elementit. Suunnitteluperinteessä säilytetään tunnettujen lentokoneiden suunnittelijoiden vastaus ehdotukseen suunnitella ehdottoman luotettava lentokone: tämä työ voidaan tehdä, jos asiakas sovittaa projektin ainoaan haittapuoleen - lentokoneet eivät koskaan tule maasta. Jotain vastaavaa tapahtuu nykyään salamasuojauksessa. Hyökkäyksen sijasta asiantuntijat järjestävät pyöreän puolustuksen. Häipyäkseen noidankehästä on ymmärrettävä salamannopeuden muodostumismekanismi ja löydettävä keinot tämän prosessin ohjaamiseksi heikkojen ulkoisten vaikutusten takia. Tehtävä on vaikea, mutta kaukana toivottomasta. Nykyään on selvää, että pilvistä maahan siirtyvä salama ei koskaan löydy maa-esineeseen: sen ylhäältä kohti lähestyvää salamaa kipinäkanava kasvaa, niin kutsuttu tuleva johtaja. Kohteen korkeudesta riippuen se venyy kymmeniä metrejä, joskus useita satoja ja kohtaa salaman. Tätä tietynlaista "päivämäärää" ei tietenkään aina tapahdu - salama voi ohittaa.

Mutta se on aivan selvää: mitä nopeammin tuleva johtaja nousee, sitä kauempana hän etenee salamaan ja siksi, sitä enemmän heillä on mahdollisuuksia tavata. Siksi sinun on opittava “hidastamaan” kipinökanavia suojatuilta esineiltä ja päinvastoin, stimuloimaan salamanjohtimista. Optimismin syynä ovat ne erittäin heikot ulkoiset sähkökentät, joissa salama muodostuu. Ukkosta maapallon lähellä oleva kenttä on noin 100-200 V / cm - suunnilleen sama kuin raudan tai parranajokoneen sähköjohdon pinnalla. Koska salama on tyytyväinen niin pieneen määrään, se tarkoittaa, että sitä hallitsevat tehosteet voivat olla yhtä heikkoja. On vain tärkeää ymmärtää, missä vaiheessa ja missä muodossa ne tulisi tarjota. Eteenpäin on vaikea, mutta mielenkiintoinen tutkimustyö.

Akateemikko Vladimir FORTOV, RAS: n yhteinen korkean lämpötilan fysiikan instituutti, tekniikan tohtori Eduard BAZELYAN, nimeltään Energiainstituutti GM Krzyzanowski.