Hur du skyddar dig mot blixtnedslag

Blixt väckte alltid en persons fantasi och önskan att känna världen. Hon förde eld till jorden, efter att ha temat vilken, blev människor starkare. Vi räknar ännu inte med erövring av detta formidabla naturfenomen, men vi skulle vilja "fredlig samexistens." Ju ju mer perfekt utrustningen vi skapar, desto farligare atmosfärisk elektricitet är för det. En av metoderna för skydd är att med hjälp av en speciell simulator preliminärt bedöma industriella anläggningars sårbarhet för det aktuella och elektromagnetiska blixtfältet.

Att älska stormen i början av maj är lätt för poeter och konstnärer. Kraftingenjören, signalman eller astronauten kommer inte att bli nöjda från början av åskväder säsongen: han lovar för mycket besvär. I genomsnitt står varje kvadratkilometer i Ryssland årligen för cirka tre blixtnedslag. Deras elektriska ström når 30 000 A, och för de kraftfullaste urladdningarna kan den överstiga 200 000 A. Temperaturen i en väljoniserad plasmakanal med till och med måttlig blixt kan nå 30 000 ° C, vilket är flera gånger högre än i svetsmaskinens elektriska båge. Och naturligtvis är det inte bra för många tekniska anläggningar. Bränder och explosioner från direkt blixt är välkända för specialister. Men vanliga människor överdriver tydligt risken för en sådan händelse.

Spetsen på flaggstången i Ostankino TV-tornet. Spår av återflöde är synliga. I verkligheten är den "himmel elektriska tändaren" inte så effektiv. Föreställ dig: du försöker elda under en orkan, när det på grund av den starka vinden är svårt att tända även torr halm. Luftströmmen från blixtnedgångskanalen är ännu kraftigare: dess urladdning ger upphov till en chockvåg, vars åskande brus bryter och släcker lågan. En paradox, men en svag blixt är brandrisk, speciellt om en ström på cirka 100 A strömmar genom sin kanal under tiondelar av en sekund (i evigheter i en värld av gnistutsläpp!), Den senare skiljer sig inte mycket från en båge, och en elektrisk båge kommer att antända allt som kan brinna.

För en byggnad med normal höjd är dock blixtnedslag inte ofta förekommande. Erfarenhet och teori visar: det "lockas" till en markstruktur på avstånd nära dess tre höjder. Det tio våningar stora tornet samlar ungefär 0,08 blixtar årligen, d.v.s. i genomsnitt 1 hit på 12,5 års drift. En stuga med vind är cirka 25 gånger mindre: i genomsnitt måste ägaren "vänta" i cirka 300 år.

Men låt inte minska faran. Om blixten slår åt minst ett av 300-400 byhus är det osannolikt att lokalbefolkningen anser att denna händelse är obetydlig. Men det finns föremål med mycket större längd - säg kraftledningar (NEP). Deras längd kan mycket väl överstiga 100 km, deras höjd är 30 m. Detta innebär att var och en av dem kommer att samla slag från höger och vänster, med remsor 90 m breda. Den totala ytan för blixt "att dra" kommer att överstiga 18 km2, deras antal är 50 per år. Naturligtvis kommer stålstöden på linjen inte att brinna ut, ledningarna kommer inte att smälta. Blixten slår ungefär 30 gånger om året vid spetsen av flaggstången i Ostankino TV-tornet (Moskva), men inget hemskt händer. Och för att förstå varför de är farliga för kraftledningar måste du veta arten av elektriska, inte termiska effekter.

DEN HUVUDSAKTIGA KRAFTEN TILL BJÄLLNING

När den slås i stödet av den elektriska linjen, strömmar strömmen i marken genom markmotståndet, som som regel är 10-30 ohm. Samtidigt Ohms lag till och med den "medelstora" blixten, med en ström på 30 000 A, skapar en spänning på 300-900 kV och kraftfull - flera gånger mer. Så det finns åskväder överspänningar. Om de når megavoltnivån, står inte kraftledningens isolering upp och bryter igenom. En kortslutning inträffar. Linjen är frånkopplad. Ännu värre, när en blixtnedgång bryter direkt till ledningarna.Då är överspänningen en storleksordning högre än med skador på stödet. Kampen mot detta fenomen är idag en svår uppgift för elkraftsindustrin. Dessutom, med teknikens förbättring, växer dess komplexitet bara.

Ostankino TV-torn fungerade som en blixtstång, efter att ha missat en blixtnedslag 200 meter under toppen. För att tillgodose mänsklighetens snabbt växande energibehov måste moderna kraftverk kombineras till kraftfulla system. Ett enhetligt energisystem fungerar nu i Ryssland: alla dess anläggningar fungerar sammankopplade. Därför kan oavsiktligt misslyckande med ens en kraftöverföringsledning eller kraftverk leda till allvarliga konsekvenser liknande det som hände i Moskva i maj 2005. Många systemolyckor orsakade av blixtar har noterats i världen. En av dem - i USA 1968, orsakade skador på flera miljoner dollar. Sedan stängde en blixtnedladdning en kraftledning, och kraftsystemet kunde inte klara det energiförluster som uppstod.

Det är inte förvånande att specialister iakttar vederbörlig uppmärksamhet mot skydd av kraftledningar mot blixtar. Längs hela längden av luftledningar med en spänning på 110 kV eller mer, är specialmetallkablar upphängda för att försöka skydda ledningarna mot direkt kontakt ovanifrån. Deras isolering är maximerad, jordningsmotståndet för stöden är extremt reducerat och halvledaranordningar, såsom de som skyddar ingångskretsarna på datorer eller högkvalitativa TV-apparater, används för att begränsa överspänningarna. Visst är deras likhet bara i princip för drift, men driftspänningen för linjära begränsare uppskattas i miljoner volt - utvärdera omfattningen av kostnaden för skydd mot blixt!

Folk frågar ofta om det är möjligt att utforma en absolut blixtbeständig linje? Svaret är ja. Men här är två nya frågor oundvikliga: vem behöver det och hur mycket kommer det att kosta? Om det är omöjligt att skada en tillförlitligt skyddad kraftöverföringsledning, är det till exempel möjligt att bilda ett falskt kommando för att koppla bort linjen eller helt enkelt förstöra lågspänningsautomationskretsar, som i modern design är byggda på mikroprocessorteknologi. Chipsens driftsspänning minskar varje år. Idag beräknas den i voltenheter. Det är där det finns plats för blixtar! Och det finns inget behov av en direkt strejk, eftersom den kan agera på distans och omedelbart över stora områden. Dess huvudsakliga vapen är det elektromagnetiska fältet. Det nämndes ovan om blixtströmmen, även om både strömmen och dess tillväxthastighet är viktiga för att bedöma den elektromotiva kraften för magnetisk induktion. I blixtnedslag kan den senare överskrida 2 • 1011 A / s. I en krets med en yta på 1 m2 på ett avstånd av 100 m från blixtkanalen kommer en sådan ström att inducera en spänning som är ungefär dubbelt så hög som i utloppet i ett bostadsbyggnad. Det krävs inte mycket fantasi för att föreställa sig ödet för mikrochips utformade för en spänning i storleksordningen en volt.

I världspraxis finns det många allvarliga olyckor på grund av förstörelse av blixtnedbrytningskretsar. Denna lista inkluderar skador på flygutrustning ombord på flygplan och rymdskepp, falska avstängningar av hela "paket" av högspänningsledningar och fel på utrustningen i antennmobilkommunikationssystem. Tyvärr är en anmärkningsvärd plats också ockuperad av "skador" för vanliga medborgare som kan skadas av hushållsapparater, som alltmer fyller våra hem.

SKYDDSMÅL

Vi är vana att förlita oss på blixtskydd. Kommer du ihåg oden till den stora forskaren från XVIII-talet, akademiker Mikhail Lomonosov på deras uppfinning? Vår berömda landsmästare var nöjd med segern och sa att den himmelska elden har upphört att vara farlig. Naturligtvis tillåter denna enhet på taket i en bostadshus inte att blixtar tänder eld på trägolv eller andra brännbara byggnadsmaterial. När det gäller elektromagnetiska effekter är han maktlös. Det gör ingen skillnad om blixtnedströmningen flyter i sin kanal eller genom metallstången på blixtstången, den väcker ändå ett magnetfält och inducerar en farlig spänning på grund av magnetisk induktion i interna elektriska kretsar. För att bekämpa detta effektivt krävs en blixtstång för att avlyssna urladdningskanalen vid avlägsna tillvägagångssätt till det skyddade föremålet, d.v.s. blir mycket hög, eftersom den inducerade spänningen är omvänt proportionell mot avståndet till strömledaren.

Idag har man fått stor erfarenhet av att använda sådana strukturer med olika höjder.Statistiken är dock inte särskilt tröstande. Skyddszonen för en stav blixtstång presenteras vanligtvis i form av en kon, vars axel den är, men med en topp som ligger något lägre än dess övre ände. Vanligtvis ger en 30-meters “kärna” 99% tillförlitlighet av byggnadsskyddet om den stiger cirka 6 meter över den. Att uppnå detta är inte ett problem. Men med en ökning av blixtstångens höjd växer avståndet från dess topp till det "täckta" föremålet, det minimum som är nödvändigt för ett tillfredsställande skydd, snabbt. För en 200-meterskonstruktion med samma grad av tillförlitlighet överstiger denna parameter redan 60 m, och för en 500-metersstruktur - 200 m.

Det ovannämnda TV-tornet Ostankino spelar också en liknande roll: den kan inte skydda sig själv, den saknar blixtnedslag på 200 m under toppen. Skyddszonens radie vid marknivå för höga blixtstänger ökar också kraftigt: för 30 meter är den jämförbar med dess höjd, för samma TV-torn - 1/5 av dess höjd.

Med andra ord kan man inte hoppas att blixtstänger av traditionell design kan fånga blixtar vid avlägsna tillvägagångssätt till föremålet, särskilt om den senare upptar ett stort område på jordens yta. Detta innebär att vi måste räkna med den verkliga sannolikheten för en blixtnedladdning till territoriet för kraftverk och transformatorstationer, flygfält, lager av flytande och gasformigt bränsle och utökade antennfält. Spridning i marken kommer blixtströmmen delvis in i de många underjordiska kommunikationerna i moderna tekniska anläggningar. Som regel finns det elektriska kretsar för automatiserings-, styr- och informationsbehandlingssystem - de mycket mikroelektroniska enheterna som nämns ovan. Förresten, beräkningen av strömmar i jorden är komplicerad även i den enklaste formuleringen. Svårigheterna förvärras på grund av starka förändringar i motståndet hos de flesta jordar, beroende på styrkan hos kiloampere-strömmarna som sprider sig i dem, vilket bara är kännetecknande för luftutsläpp i atmosfären. Ohms lag gäller inte för beräkning av kretsar med sådana olinjära motstånd.

Till jordens "icke-linjäritet" läggs sannolikheten för bildandet av utökade gnistkanaler i den. Reparationsbesättningar på kabellinjer är väl bekanta med en sådan bild. En fåra sträcker sig längs marken från ett högt träd i en skogskant, som från en plog eller en gammal plog, och bryter av strax ovanför spåret på en underjordisk telefonkabel som är skadad på denna plats - metallhöljet är skrynkligt, isoleringen av kärnorna förstörs. Så blixtens effekt manifesterade sig. Hon slog ett träd, och dess ström, som sprer sig längs rötterna, skapade ett starkt elektriskt fält i marken, bildade en plasma-gnistkanal i den. I själva verket fortsatte blixten sin utveckling som inte bara genom luften utan i marken. Och så kan det passera dussintals, och i särskilt dåligt ledande strömmar, jord (stenig eller permafrost) och hundratals meter. Genombrottet till föremålet utförs inte på traditionellt sätt - uppifrån, utan förbigår några blixtstänger underifrån. Glidutsläpp längs markytan reproduceras väl i laboratoriet. Alla dessa komplexa och mycket olinjära fenomen behöver experimentell forskning och modellering.

Strömmen för att generera en urladdning kan genereras av en artificiell pulsad källa. Energi ackumuleras i kondensatorbanken i ungefär en minut och "spills" ut i poolen med jord i ett dussin mikrosekunder. Sådana kapacitiva enheter finns i många högspänningsforskningscentra. Deras dimensioner når tiotals meter, massa - tiotals ton. Du kan inte leverera sådant till ett elektriskt transformatorstations territorium eller annan industriell anläggning för att fullständigt återge villkoren för spridning av blixtströmmar. Detta är möjligt endast av misstag när objektet ligger i anslutning till ett högspänningsstativ - till exempel i en öppen installation av Siberian Research Institute of Energy, placeras en pulserande högspänningsgenerator bredvid en 110 kV transmissionslinje. Men detta är naturligtvis ett undantag.

Lightning Bolt Simulator

I själva verket borde detta inte vara ett unikt experiment, utan en vanlig situation.Specialister har stort behov av en simulering av blixtströmmen i full skala, eftersom detta är det enda sättet att få en tillförlitlig bild av fördelningen av strömmar i underjordiska verktyg, mäta effekterna av det elektromagnetiska fältet på mikroprocessoranordningar och bestämma arten av utbredningen av glidande gnistkanaler. Motsvarande tester bör bli utbredda och utföras innan idrifttagandet av varje grundläggande ny ansvarsfull teknisk anläggning, som länge har gjorts inom luftfarten och astronautik. Idag finns det inget annat alternativ än att skapa en kraftfull, men liten storlek och mobil källa för pulsströmmar med blixtströmsparametrar. Dess prototypmodell finns redan och testades framgångsrikt vid Donino-stationen (110 kV) i september 2005. All utrustning var inrymd i en fabrikstrailer från serien Volga.

Det mobila testkomplexet är baserat på en generator som konverterar den mekaniska energin i en explosion till elektrisk energi. Denna process är allmänt välkänd: den sker i vilken elektrisk maskin som helst, där den mekaniska kraften driver rotorn, motverkar kraften i dess interaktion med statorns magnetfält. Den grundläggande skillnaden är den extremt höga hastigheten för energiutsläpp under explosionen, som snabbt påskyndar metallkolven (fodret) inuti spolen. Det förskjuter magnetfältet i mikrosekunder, vilket ger högspänningscitation i en pulstransformator. Efter ytterligare förstärkning med en pulstransformator genererar spänningen en ström i testobjektet. Idén med den här enheten tillhör vår enastående landsmästare, "fadern" till vätebomben, akademiker A.D. Sacharov.

En explosion i en speciell högstyrkekammare förstör endast en 0,5 m lång spole och en foder inuti den. De återstående elementen i generatorn används upprepade gånger. Kretsen kan justeras så att tillväxthastigheten och varaktigheten för den genererade pulsen motsvarar liknande blixtströmparametrar. Dessutom är det möjligt att "driva" det till ett objekt med stor längd, till exempel i en ledning mellan kraftöverföringsledningsstöd, i markslingan i en modern transformatorstation eller i flygplanets flygkropp.

När man testade ett prototypgeneratorprov placerades endast 250 g sprängämnen i kammaren. Detta är tillräckligt för att bilda en strömpuls med en amplitud på upp till 20 000 A. Men för första gången gick de inte för en sådan radikal effekt - strömmen begränsades artificiellt. I början av installationen fanns det bara ett ljus som sprang av den blast-off-kameran. Och därefter visade inspelningarna av digitala oscilloskop som sedan kontrollerades: en strömpuls med de givna parametrarna infördes framgångsrikt i blixtlednings blixtledare. Sensorer noterade en kraftvåg vid olika punkter i markslingan.

Nu är heltidskomplexet i förberedelser. Den kommer att vara inställd på simulering av blixtströmmar i full skala och samtidigt placeras på baksidan av en seriebil. Generatorns explosiva kammare är utformad för att fungera med 2 kg sprängämnen. Det finns all anledning att tro att komplexet kommer att vara universellt. Med sin hjälp kommer det att vara möjligt att testa inte bara elkraft, utan också andra stora föremål av ny utrustning för motstånd mot effekterna av ström och elektromagnetiskt blixtfält: kärnkraftverk, telekommunikationsanordningar, missilsystem etc.

Jag skulle vilja avsluta artikeln på en viktig anmärkning, särskilt eftersom det finns skäl till detta. Driftsättning av en testanläggning på heltid kommer att göra det möjligt att objektivt utvärdera effektiviteten hos den mest avancerade skyddsutrustningen. En viss missnöje kvarstår dock fortfarande. I själva verket följer personen igen blixtnedslaget och tvingas ta upp sin viljan, samtidigt som hon tappar mycket pengar. Användningen av blixtskyddsmedel leder till en ökning av objektets storlek och vikt, kostnaderna för knappa material växer.Paradoxala situationer är ganska verkliga när storleken på skyddsutrustningen överstiger de för det skyddade konstruktionselementet. Teknisk folklore lagrar en känd flygplansdesigners svar på förslaget att designa ett absolut tillförlitligt flygplan: detta arbete kan göras om kunden förenar sig med den enda nackdelen med projektet - flygplanet kommer aldrig att komma från marken. Något liknande händer i blixtskyddet idag. I stället för en offensiv håller experter ett cirkulärt försvar. För att bryta ur den onda cirkeln måste du förstå mekanismen för bildandet av blixtbanan och hitta sätt att kontrollera denna process på grund av svaga yttre påverkan. Uppgiften är svår, men långt ifrån hopplös. Idag är det tydligt att blixt som rör sig från ett moln till jorden aldrig slår ett markobjekt: från dess topp mot en närmande blixt växer en gnistkanal, den så kallade ankommande ledaren. Beroende på objektets höjd sträcker det sig i tiotals meter, ibland flera hundra och möter blixtnedslag. Naturligtvis händer inte detta "datum" alltid - blixt kan missa.

Men det är ganska uppenbart: Ju tidigare den kommande ledaren uppstår, desto längre kommer han att gå vidare till blixt och därför, desto fler chanser för dem att möta. Därför måste du lära dig att "bromsa" gnistkanalerna från skyddade föremål och omvänt stimulera från blixtledare. Anledningen till optimism är inspirerad av de mycket svaga yttre elektriska fält där blixt bildas. I åskväder är ett fält nära jorden cirka 100-200 V / cm - ungefär samma som på ytan av en elektrisk sladd i en järn eller en rakapparat. Eftersom blixtar är nöjda med en så liten mängd, betyder det att effekterna som styr den kan vara lika svaga. Det är bara viktigt att förstå vid vilken tidpunkt och i vilken form de ska serveras. Framåt är ett svårt men intressant forskningsarbete.

Akademiker Vladimir FORTOV, Joint Institute for High Temperature Physics RAS, Doctor in Technical Sciences Eduard BAZELYAN, Energy Institute uppkallad efter GM Krzyzanowski.