Hoe jezelf te beschermen tegen bliksem

Bliksem wekte altijd de verbeelding en het verlangen van een persoon om de wereld te kennen. Ze bracht vuur op de aarde, nadat ze dat had getemd, werden mensen machtiger. We rekenen nog niet op de verovering van dit formidabele natuurfenomeen, maar willen graag 'vreedzaam samenleven'. Immers, hoe perfecter de apparatuur die we maken, des te gevaarlijker is atmosferische elektriciteit ervoor. Een van de beveiligingsmethoden is om vooraf met behulp van een speciale simulator de kwetsbaarheid van industriële installaties voor het huidige en elektromagnetische bliksemveld te beoordelen.

Het houden van de storm in begin mei is gemakkelijk voor dichters en kunstenaars. De krachtingenieur, seingever of astronaut zal niet blij zijn vanaf het begin van het onweersseizoen: hij belooft te veel problemen. Gemiddeld is elke vierkante kilometer van Rusland jaarlijks goed voor ongeveer drie blikseminslagen. Hun elektrische stroom bereikt 30.000 A, en voor de meest krachtige ontladingen kan het de 200.000 A overschrijden. De temperatuur in een goed geïoniseerd plasmakanaal van zelfs matige bliksem kan 30.000 ° C bereiken, wat meerdere malen hoger is dan in de elektrische boog van het lasapparaat. En natuurlijk voorspelt dit niet veel goeds voor veel technische voorzieningen. Branden en explosies door directe bliksem zijn specialisten goed bekend. Maar gewone mensen overdrijven overduidelijk het risico van een dergelijke gebeurtenis.

Het topje van de vlaggenmast van de televisietoren van Ostankino. Sporen van reflow zijn zichtbaar. In werkelijkheid is de "hemelse elektrische aansteker" niet zo effectief. Stel je voor: je probeert tijdens een orkaan vuur te maken, terwijl het door de sterke wind moeilijk is om zelfs droog stro aan te steken. De luchtstroom uit het bliksemkanaal is nog krachtiger: de ontlading ervan leidt tot een schokgolf, waarvan het donderende gerommel de vlam breekt en dooft. Een paradox, maar een zwakke bliksem is brandgevaar, vooral als een stroom van ongeveer 100 A door zijn kanaal stroomt voor tienden van seconden (voor eeuwen in de wereld van vonkontladingen!), De laatste verschilt niet veel van een boog en een elektrische boog zal alles ontsteken dat kan branden.

Voor een gebouw van normale hoogte komen blikseminslagen echter niet vaak voor. Ervaring en theorie laten zien: het wordt "aangetrokken" tot een grondstructuur van een afstand dichtbij zijn drie hoogten. De toren met tien verdiepingen zal jaarlijks ongeveer 0,08 bliksem verzamelen, d.w.z. gemiddeld 1 hit in 12,5 jaar gebruik. Een huisje met een zolder is ongeveer 25 keer kleiner: gemiddeld moet de eigenaar ongeveer 300 jaar 'wachten'.

Maar laten we het gevaar niet bagatelliseren. Inderdaad, als de bliksem ten minste een van de 300 - 400 dorpshuizen treft, is het onwaarschijnlijk dat lokale bewoners dit evenement als onbeduidend beschouwen. Maar er zijn objecten van veel grotere lengte - laten we zeggen hoogspanningslijnen (NEP). Hun lengte kan wel 100 km overschrijden, hun hoogte is 30 m. Dit betekent dat elk van hen slagen van rechts en links zal verzamelen, met stroken van 90 m breed. Het totale gebied van bliksem "trekken" zal 18 km2 overschrijden, hun aantal is 50 per jaar. Natuurlijk zullen de stalen steunen van de lijn niet doorbranden, de draden zullen niet smelten. Bliksem slaat ongeveer 30 keer per jaar aan op het puntje van de vlaggenmast van de Ostankino-tv-toren (Moskou), maar er gebeurt niets verschrikkelijks. En om te begrijpen waarom ze gevaarlijk zijn voor hoogspanningsleidingen, moet u de aard van elektrische, niet thermische, effecten kennen.

DE BELANGRIJKSTE KRACHT VAN BLIKSEM

Wanneer de stroom op de steun van de elektrische leiding wordt geslagen, stroomt de stroom in de grond door de aardweerstand, die in de regel 10-30 Ohm is. Tegelijkertijd Ohm's wet zelfs de "gemiddelde" bliksem, met een stroom van 30.000 A, creëert een spanning van 300-900 kV en is krachtig - meerdere keren meer. Dus er zijn onweer overspanningen. Als ze het megavolt-niveau bereiken, staat de isolatie van de stroomleidingen niet op en breekt door. Er treedt kortsluiting op. De verbinding is verbroken. Erger nog, wanneer een bliksemkanaal rechtstreeks naar de draden breekt.Dan is de overspanning een orde van grootte hoger dan met schade aan de ondersteuning. De strijd tegen dit fenomeen blijft een moeilijke taak voor de elektriciteitsindustrie. Bovendien neemt de complexiteit alleen maar toe met de verbetering van technologie.

De TV-toren van Ostankino fungeerde als een bliksemafleider en miste een blikseminslag 200 meter onder de piek. Om te voldoen aan de snel groeiende energiebehoeften van de mensheid, moeten moderne energiecentrales worden gecombineerd tot krachtige systemen. Een verenigd energiesysteem werkt nu in Rusland: al zijn faciliteiten werken onderling verbonden. Daarom kan het per ongeluk falen van zelfs maar één transmissielijn of elektriciteitscentrale ernstige gevolgen hebben die vergelijkbaar zijn met wat er in mei 2005 in Moskou gebeurde. Er zijn veel systeemongelukken door de wereld geconstateerd. Een daarvan - in de Verenigde Staten in 1968 - veroorzaakte schade van miljoenen dollars. Toen schakelde een bliksemontlading één stroomkabel uit en kon het stroomsysteem het ontstane energietekort niet aan.

Het is niet verwonderlijk dat specialisten de nodige aandacht besteden aan de bescherming van elektriciteitsleidingen tegen bliksem. Speciale metalen kabels hangen over de gehele lengte van bovenleidingen met een spanning van 110 kV en meer en proberen de draden te beschermen tegen direct contact van bovenaf. Hun isolatie is gemaximaliseerd, de aardingsweerstand van de steunen is extreem gereduceerd en halfgeleiderapparaten, zoals apparaten die de ingangscircuits van computers of hoogwaardige tv's beschermen, worden gebruikt om overspanningen te beperken. Toegegeven, hun overeenkomst is alleen in principe van werking, maar de bedrijfsspanning voor lineaire begrenzers wordt geschat in miljoenen volt - evalueer de schaal van de kosten van bescherming tegen bliksem!

Mensen vragen vaak of het haalbaar is om een ​​absoluut bliksembestendige lijn te ontwerpen? Het antwoord is ja. Maar hier zijn twee nieuwe vragen onvermijdelijk: wie heeft het nodig en hoeveel kost het? Inderdaad, als het onmogelijk is om een ​​betrouwbaar beveiligde stroomtransmissielijn te beschadigen, is het bijvoorbeeld mogelijk om een ​​vals commando te vormen om de lijn te ontkoppelen of gewoon de laagspanningsautomatiseringsschakelingen te vernietigen, die in een modern ontwerp zijn gebouwd op microprocessortechnologie. De bedrijfsspanning van de chips neemt elk jaar af. Vandaag wordt het berekend in eenheden van volt. Daar is ruimte voor bliksem! En er is geen directe staking nodig, omdat het op afstand en onmiddellijk over grote gebieden kan handelen. Het belangrijkste wapen is het elektromagnetische veld. Het werd hierboven vermeld over de bliksemstroom, hoewel zowel de stroom als de groeisnelheid belangrijk zijn voor het bepalen van de elektromotorische kracht van magnetische inductie. Bij bliksem kan dit laatste 2 • 1011 A / s overschrijden. In elk circuit met een oppervlakte van 1 m2 op een afstand van 100 m van het bliksemkanaal, veroorzaakt een dergelijke stroom een ​​spanning van ongeveer twee keer zo hoog als in de uitgangen van een woongebouw. Er is niet veel fantasie voor nodig om het lot van microchips voor te stellen, ontworpen voor een spanning in de orde van één volt.

In de wereldpraktijk zijn er veel ernstige ongelukken als gevolg van de vernietiging van bliksembesturingscircuits. Deze lijst omvat schade aan de boorduitrusting van vliegtuigen en ruimtevaartuigen, valse stilleggingen van volledige "pakketten" van hoogspanningsleidingen en falen van de uitrusting van mobiele communicatiesystemen voor antennes. Helaas is een opmerkelijke plaats hier ingenomen door de "schade" aan de portemonnee van gewone burgers voor schade aan huishoudelijke apparaten, die onze huizen steeds meer vullen.

MANIEREN VAN BESCHERMING

We zijn gewend te vertrouwen op bliksembeveiliging. Herinner je de ode aan de grote wetenschapper van de XVIII eeuw, academicus Michail Lomonosov over hun uitvinding? Onze beroemde landgenoot was opgetogen over de overwinning en zei dat het hemelse vuur niet langer gevaarlijk was. Natuurlijk staat dit apparaat op het dak van een woongebouw niet toe dat bliksem een ​​houten vloer of andere brandbare bouwmaterialen in brand steekt. Met betrekking tot elektromagnetische effecten staat hij machteloos. Het maakt niet uit of de bliksemstroom in zijn kanaal stroomt of door de metalen staaf van de bliksemafleider, het wekt niettemin een magnetisch veld op en induceert een gevaarlijke spanning door magnetische inductie in interne elektrische circuits. Om dit effectief te bestrijden, is een bliksemafleider nodig om het ontladingskanaal te onderscheppen bij externe benaderingen van het beschermde object, d.w.z. zeer hoog worden, omdat de geïnduceerde spanning omgekeerd evenredig is met de afstand tot de stroomgeleider.

Tegenwoordig is veel ervaring opgedaan met het gebruik van dergelijke structuren van verschillende hoogten.De statistieken zijn echter niet erg geruststellend. De beschermingszone van een staafbliksemafleider wordt meestal gepresenteerd in de vorm van een kegel, waarvan de as is, maar met een top die iets lager ligt dan het bovenste uiteinde. Gewoonlijk biedt een 30-meter "kern" 99% betrouwbaarheid van de bouwbescherming als deze ongeveer 6 meter daarboven uitsteekt. Dit is geen probleem. Maar met een toename van de hoogte van de bliksemafleider groeit de afstand van de bovenkant tot het "afgedekte" object, het minimum dat nodig is voor een bevredigende bescherming, snel. Voor een constructie van 200 meter met dezelfde mate van betrouwbaarheid overschrijdt deze parameter al 60 m en voor een constructie van 500 meter - 200 m.

De eerder genoemde Ostankino-tv-toren speelt ook een vergelijkbare rol: het kan zichzelf niet beschermen, het passeert blikseminslagen op een afstand van 200 m onder de piek. De straal van de beschermingszone op grondniveau voor hoge bliksemafleiders neemt ook sterk toe: voor een meter van 30 meter is deze vergelijkbaar met zijn hoogte, voor dezelfde tv-toren - 1/5 van zijn hoogte.

Met andere woorden, men kan niet hopen dat bliksemafleiders met een traditioneel ontwerp de bliksem kunnen onderscheppen bij de verre nadering van het object, vooral als dit een groot gebied op het aardoppervlak beslaat. Dit betekent dat we rekening moeten houden met de reële kans op blikseminslag op het grondgebied van energiecentrales en onderstations, vliegvelden, magazijnen van vloeibare en gasvormige brandstoffen en uitgebreide antennevelden. De bliksemstroom verspreidt zich in de grond en komt gedeeltelijk in de talloze ondergrondse communicatie van moderne technische objecten. In de regel zijn er elektrische circuits van automatiserings-, controle- en informatieverwerkingssystemen - de hierboven genoemde zeer micro-elektronische apparaten. Trouwens, de berekening van stromingen in de aarde is ingewikkeld, zelfs in de eenvoudigste formulering. Moeilijkheden worden verergerd door sterke veranderingen in de weerstand van de meeste bodems, afhankelijk van de sterkte van de kiloampere stromen die zich daarin verspreiden, die gewoon kenmerkend zijn voor atmosferische elektriciteitsontladingen. De wet van Ohm is niet van toepassing op de berekening van circuits met dergelijke niet-lineaire weerstanden.

Aan de "niet-lineariteit" van de grond wordt de waarschijnlijkheid van de vorming van uitgebreide vonkkanalen erin toegevoegd. Reparatieteams van kabellijnen zijn goed bekend met zo'n foto. Een groef strekt zich uit over de grond van een hoge boom aan een bosrand, als van een ploeg of een oude ploeg, en breekt af net boven het spoor van een ondergrondse telefoonkabel die op deze plaats is beschadigd - de metalen omhulling is verfrommeld, de isolatie van de kernen is vernietigd. Dus manifesteerde het effect van bliksem zich. Ze sloeg op een boom en de stroom die zich langs de wortels verspreidde, creëerde een sterk elektrisch veld in de grond en vormde daarin een plasmavonkkanaal. In feite bleef de bliksem als het ware doorgaan, niet alleen via de lucht, maar in de grond. En dus kan het tientallen passeren, en in met name slecht geleidende stromingsgronden (rotsachtige of permafrost) en honderden meters. De doorbraak naar het object vindt niet op de traditionele manier plaats - van bovenaf, maar omzeilt alle bliksemafleiders van onderaf. Glijdende lozingen langs het bodemoppervlak worden goed gereproduceerd in het laboratorium. Al deze complexe en zeer niet-lineaire verschijnselen vereisen experimenteel onderzoek, modellering.

De stroom voor het genereren van een ontlading kan worden opgewekt door een kunstmatige gepulseerde bron. Energie wordt ongeveer een minuut lang in de condensatorbank verzameld en vervolgens in een tiental microseconden met aarde in het zwembad "gemorst". Dergelijke capacitieve aandrijvingen bevinden zich in veel hoogspanningsonderzoekscentra. Hun afmetingen bereiken tientallen meters, massa's - tientallen tonnen. U kunt dergelijke niet leveren op het grondgebied van een elektrisch onderstation of andere industriële faciliteit om de omstandigheden voor de verspreiding van bliksemstromen volledig te reproduceren. Dit is alleen mogelijk per ongeluk, wanneer het object grenst aan een hoogspanningsstandaard - bijvoorbeeld, in een open installatie van het Siberian Research Institute of Energy, wordt een gepulseerde hoogspanningsgenerator naast een 110 kV-transmissielijn geplaatst. Maar dit is natuurlijk een uitzondering.

Lightning Bolt Simulator

In feite zou dit geen uniek experiment moeten zijn, maar een gewone situatie.Specialisten hebben dringend behoefte aan een volledige simulatie van bliksemstroom, omdat dit de enige manier is om een ​​betrouwbaar beeld te krijgen van de verdeling van stromen in ondergrondse nutsbedrijven, de effecten van het elektromagnetische veld op microprocessor-apparaten te meten en de aard van de verspreiding van glijdende vonkkanalen te bepalen. Overeenkomstige tests moeten wijdverbreid worden en worden uitgevoerd vóór de ingebruikname van elke fundamenteel nieuwe verantwoordelijke technische faciliteit, zoals al lang is gebeurd in de luchtvaart en astronautica. Tegenwoordig is er geen ander alternatief dan een krachtige, maar kleine en mobiele bron van pulsstromen met bliksemstroomparameters te creëren. Het prototypemodel bestaat al en werd met succes getest in het Donino-onderstation (110 kV) in september 2005. Alle apparatuur was ondergebracht in een fabriekstrailer van de seriële Volga.

Het mobiele testcomplex is gebaseerd op een generator die de mechanische energie van een explosie omzet in elektrische energie. Dit proces is algemeen bekend: het vindt plaats in elke elektrische machine, waarbij de mechanische kracht de rotor beweegt en de kracht van zijn interactie met het magnetische veld van de stator tegengaat. Het fundamentele verschil is de extreem hoge energiesnelheid tijdens de explosie, die de metalen zuiger (voering) in de spoel snel versnelt. Het verplaatst het magnetische veld in microseconden en zorgt voor hoogspanningsexcitatie in een pulstransformator. Na extra versterking door een pulstransformator genereert de spanning een stroom in het testobject. Het idee van dit apparaat is van onze uitstekende landgenoot, de "vader" van de waterstofbom, Academicus A.D. Sacharov.

Een explosie in een speciale hoge sterkte kamer vernietigt slechts een 0,5 m lange spoel en een voering erin. De resterende elementen van de generator worden herhaaldelijk gebruikt. Het circuit kan worden aangepast zodat de groeisnelheid en de duur van de gegenereerde puls overeenkomen met vergelijkbare bliksemstroomparameters. Bovendien is het mogelijk om het in een object van grote lengte te "rijden", bijvoorbeeld in een draad tussen de steunen van de transmissielijn, in de aardlus van een modern onderstation of in de romp van een passagiersvliegtuig.

Bij het testen van een prototype van een generatormonster werd slechts 250 g explosieven in de kamer gebracht. Dit is voldoende om een ​​stroompuls te vormen met een amplitude van maximaal 20.000 A. Echter, voor het eerst gingen ze niet voor zo'n radicaal effect - de stroom was kunstmatig beperkt. Aan het begin van de installatie was er alleen een licht knallen van de explosiecamera. En toen toonden de opnames van digitale gecontroleerde oscilloscopen toen: een stroompuls met de gegeven parameters werd met succes geïntroduceerd in de bliksemafleider. Sensoren zagen een stroomstoot op verschillende punten in de aardlus.

Nu is het fulltime complex in voorbereiding. Het zal worden afgestemd op full-scale simulatie van bliksemstromen en tegelijkertijd worden geplaatst in de achterkant van een seriële vrachtwagen. De explosieve kamer van de generator is ontworpen om te werken met 2 kg explosieven. Er is alle reden om te geloven dat het complex universeel zal zijn. Met zijn hulp zal het mogelijk zijn om niet alleen elektrische energie, maar ook andere grote objecten van nieuwe apparatuur te testen op weerstand tegen de effecten van stroom en elektromagnetisch bliksemveld: kerncentrales, telecommunicatieapparatuur, raketsystemen, enz.

Ik wil het artikel graag afsluiten met een belangrijke noot, vooral omdat hier redenen voor zijn. De ingebruikname van een full-time testfaciliteit zal een objectieve beoordeling van de effectiviteit van de meest geavanceerde beschermingsmiddelen mogelijk maken. Er blijft echter enige ontevredenheid bestaan. In feite volgt de persoon opnieuw de leiding van de bliksem en wordt gedwongen om haar eigenzinnigheid te verdragen, terwijl ze veel geld verliest. Het gebruik van bliksembeveiliging leidt tot een toename van de grootte en het gewicht van het object, de kosten van schaarse materialen groeien.Paradoxale situaties zijn vrij reëel wanneer de afmetingen van beschermende uitrusting groter zijn dan die van het beschermde structurele element. In de technische folklore wordt de reactie opgeslagen van een bekende vliegtuigontwerper op het voorstel om een ​​absoluut betrouwbaar vliegtuig te ontwerpen: dit werk kan worden gedaan als de klant zich verzoent met het enige nadeel van het project - het vliegtuig komt nooit van de grond. Iets soortgelijks gebeurt vandaag in bliksembeveiliging. In plaats van een offensief, houden experts een circulaire verdediging. Om uit de vicieuze cirkel te komen, moet je het mechanisme van de vorming van het bliksemtraject begrijpen en middelen vinden om dit proces te beheersen vanwege zwakke externe invloeden. De taak is moeilijk, maar verre van hopeloos. Vandaag is het duidelijk dat bliksem die van een wolk naar de aarde beweegt nooit een grondobject treft: van zijn top naar een naderende bliksem groeit een vonkkanaal, de zogenaamde tegemoetkomende leider. Afhankelijk van de hoogte van het object, strekt het zich uit over tientallen meters, soms enkele honderden en ontmoet het bliksem. Natuurlijk gebeurt deze "datum" niet altijd - bliksem kan missen.

Maar het is vrij duidelijk: hoe eerder de tegemoetkomende leider opkomt, hoe verder hij naar de bliksem gaat en dus hoe meer kansen ze hebben om elkaar te ontmoeten. Daarom moet u leren hoe u de vonkkanalen van beschermde objecten kunt "vertragen" en, omgekeerd, kunt stimuleren door bliksemafleiders. De reden voor optimisme is geïnspireerd door die zeer zwakke externe elektrische velden waarin bliksem wordt gevormd. In een onweersbui is een veld in de buurt van de aarde ongeveer 100-200 V / cm - ongeveer hetzelfde als op het oppervlak van een elektrisch snoer van een strijkijzer of een elektrisch scheerapparaat. Omdat bliksem tevreden is met zo'n kleinheid, betekent dit dat de invloeden die het beheersen net zo zwak kunnen zijn. Het is alleen belangrijk om te begrijpen op welk punt en in welke vorm ze moeten worden bediend. Vooruit is een moeilijk maar interessant onderzoek.

Academicus Vladimir FORTOV, Joint Institute for High-Temperature Physics RAS, doctor in de technische wetenschappen Eduard BAZELYAN, vernoemd naar het Energy Institute GM Krzyzanowski.