So schützen Sie sich vor Blitzen

Der Blitz weckte immer die Vorstellungskraft und den Wunsch eines Menschen, die Welt zu kennen. Sie brachte Feuer auf die Erde, nachdem sie das gezähmt hatte, wurden die Menschen mächtiger. Wir rechnen noch nicht mit der Eroberung dieses gewaltigen Naturphänomens, sondern möchten ein "friedliches Zusammenleben". Denn je perfekter die von uns hergestellten Geräte sind, desto gefährlicher ist die atmosphärische Elektrizität für sie. Eine der Schutzmethoden besteht darin, vorab mithilfe eines speziellen Simulators die Anfälligkeit von Industrieanlagen für das aktuelle und elektromagnetische Blitzfeld zu bewerten.

Den Sturm Anfang Mai zu lieben, fällt Dichtern und Künstlern leicht. Der Energietechniker, Signalmann oder Astronaut wird vom Beginn der Gewittersaison nicht begeistert sein: Er verspricht zu viel Ärger. Im Durchschnitt entfallen auf jeden Quadratkilometer Russlands jährlich etwa drei Blitzeinschläge. Ihr elektrischer Strom erreicht 30.000 A und kann für die stärksten Entladungen 200.000 A überschreiten. Die Temperatur in einem gut ionisierten Plasmakanal mit selbst mäßigen Blitzen kann 30.000 ° C erreichen, was um ein Vielfaches höher ist als im Lichtbogen des Schweißgeräts. Und das ist natürlich kein gutes Zeichen für viele technische Einrichtungen. Brände und Explosionen durch direkten Blitz sind Fachleuten bekannt. Aber gewöhnliche Menschen übertreiben eindeutig das Risiko eines solchen Ereignisses.

Die Spitze des Fahnenmastes des Ostankino-Fernsehturms. Spuren von Reflow sind sichtbar. In Wirklichkeit ist das „himmlische elektrische Feuerzeug“ nicht so effektiv. Stellen Sie sich vor: Sie versuchen, während eines Hurrikans ein Feuer zu machen, wenn es aufgrund des starken Windes schwierig ist, auch trockenes Stroh anzuzünden. Der Luftstrom aus dem Blitzkanal ist noch stärker: Durch seine Entladung entsteht eine Stoßwelle, deren donnerndes Rumpeln die Flamme bricht und löscht. Ein Paradoxon, aber ein schwacher Blitz ist eine Brandgefahr, insbesondere wenn ein Strom von etwa 100 A für Zehntelsekunden durch seinen Kanal fließt (für Zeitalter in der Welt der Funkenentladungen!). Letzterer unterscheidet sich nicht wesentlich von einem Lichtbogen, und ein Lichtbogen entzündet alles, was brennen kann.

Bei einem Gebäude mit normaler Höhe treten Blitzeinschläge jedoch nicht häufig auf. Erfahrung und Theorie zeigen: Es wird von einer Bodenstruktur aus einer Entfernung nahe ihrer drei Höhen „angezogen“. Der zehnstöckige Turm wird jährlich etwa 0,08 Blitze sammeln, d.h. Durchschnittlich 1 Treffer in 12,5 Betriebsjahren. Ein Ferienhaus mit Dachboden ist etwa 25-mal kleiner: Im Durchschnitt muss der Eigentümer etwa 300 Jahre „warten“.

Aber lasst uns die Gefahr nicht herunterspielen. Wenn ein Blitz mindestens eines von 300 bis 400 Dorfhäusern trifft, ist es unwahrscheinlich, dass die Anwohner dieses Ereignis als unbedeutend betrachten. Es gibt jedoch Objekte mit viel größerer Länge - beispielsweise Stromleitungen (NEP). Ihre Länge kann durchaus 100 km überschreiten, ihre Höhe beträgt 30 m. Dies bedeutet, dass jeder von ihnen Schläge von rechts und links mit 90 m breiten Streifen sammelt. Die Gesamtfläche des Blitzziehens wird 18 km2 überschreiten, ihre Anzahl beträgt 50 pro Jahr. Natürlich brennen die Stahlstützen der Leitung nicht aus, die Drähte schmelzen nicht. An der Spitze des Fahnenmastes des Ostankino-Fernsehturms (Moskau) schlägt etwa 30 Mal im Jahr ein Blitz ein, aber es passiert nichts Schreckliches. Und um zu verstehen, warum sie für Stromleitungen gefährlich sind, müssen Sie die Art der elektrischen und nicht der thermischen Effekte kennen.

DIE HAUPTKRAFT DES BLITZES

Beim Auftreffen auf die elektrische Leitung fließt der Strom durch den Erdungswiderstand, der in der Regel 10 bis 30 Ohm beträgt, in den Boden. Dabei Ohmsches Gesetz Selbst der "mittlere" Blitz mit einem Strom von 30.000 A erzeugt eine Spannung von 300 bis 900 kV und ist um ein Vielfaches leistungsfähiger. Es gibt also Gewitterüberspannungen. Wenn sie das Megavolt-Niveau erreichen, hält die Isolierung der Stromübertragungsleitung nicht stand und bricht durch. Ein Kurzschluss tritt auf. Die Leitung ist getrennt. Schlimmer noch, wenn ein Blitzkanal direkt zu den Drähten bricht.Dann ist die Überspannung um eine Größenordnung höher als bei Beschädigung des Trägers. Der Kampf gegen dieses Phänomen bleibt heute eine schwierige Aufgabe für die Elektrizitätswirtschaft. Darüber hinaus wächst mit der Verbesserung der Technologie nur ihre Komplexität.

Der Ostankino-Fernsehturm fungierte als Blitzableiter, nachdem er einen Blitzschlag 200 Meter unter dem Gipfel verpasst hatte. Um den schnell wachsenden Energiebedarf der Menschheit zu decken, müssen moderne Kraftwerke zu leistungsstarken Systemen kombiniert werden. In Russland ist jetzt ein einheitliches Energiesystem in Betrieb: Alle Anlagen sind miteinander verbunden. Daher kann der versehentliche Ausfall einer einzigen Stromübertragungsleitung oder eines Kraftwerks schwerwiegende Folgen haben, ähnlich wie im Mai 2005 in Moskau. Weltweit wurden viele blitzbedingte Systemunfälle festgestellt. Einer von ihnen - 1968 in den USA - verursachte Schäden in Höhe von mehreren Millionen Dollar. Dann schaltete eine Blitzentladung eine Stromleitung aus, und das Stromnetz konnte das entstandene Energiedefizit nicht bewältigen.

Es ist nicht verwunderlich, dass Spezialisten dem Schutz von Stromleitungen vor Blitzen gebührende Aufmerksamkeit widmen. Spezielle Metallkabel werden über die gesamte Länge der Freileitungen mit einer Spannung von 110 kV und mehr aufgehängt, um die Drähte vor direktem Kontakt von oben zu schützen. Ihre Isolation wird maximiert, der Erdungswiderstand der Träger wird auf das Äußerste reduziert, und Halbleiterbauelemente, wie z. B. solche, die die Eingangsschaltungen von Computern oder hochwertigen Fernsehgeräten schützen, werden verwendet, um Überspannungen weiter zu begrenzen. Ihre Ähnlichkeit ist zwar nur im Prinzip des Betriebs, aber die Betriebsspannung für Linearbegrenzer wird in Millionen Volt geschätzt - bewerten Sie das Ausmaß der Kosten für den Blitzschutz!

Oft wird gefragt, ob es möglich ist, eine absolut blitzsichere Linie zu entwerfen. Die Antwort lautet ja. Aber hier sind zwei neue Fragen unvermeidlich: Wer braucht es und wie viel wird es kosten? Wenn es unmöglich ist, eine zuverlässig geschützte Stromübertragungsleitung zu beschädigen, ist es beispielsweise möglich, einen falschen Befehl zum Trennen einer Leitung zu bilden oder einfach Niederspannungsautomatisierungsschaltungen zu zerstören, die in modernem Design auf Mikroprozessortechnologie basieren. Die Betriebsspannung der Chips nimmt jedes Jahr ab. Heute wird es in Volteinheiten berechnet. Hier ist Platz für Blitze! Ein direkter Streik ist nicht erforderlich, da er in der Lage ist, über große Gebiete hinweg aus der Ferne und sofort zu agieren. Seine Hauptwaffe ist das elektromagnetische Feld. Es wurde oben über den Blitzstrom erwähnt, obwohl sowohl der Strom als auch seine Wachstumsrate für die Beurteilung der elektromotorischen Kraft der magnetischen Induktion wichtig sind. Letzteres kann bei Blitzschlag 2 • 1011 A / s überschreiten. In jedem Stromkreis mit einer Fläche von 1 m2 in einem Abstand von 100 m vom Blitzkanal induziert ein solcher Strom eine Spannung, die etwa doppelt so hoch ist wie in den Steckdosen eines Wohngebäudes. Es erfordert nicht viel Vorstellungskraft, sich das Schicksal von Mikrochips vorzustellen, die für eine Spannung in der Größenordnung von einem Volt ausgelegt sind.

In der Weltpraxis gibt es viele schwere Unfälle aufgrund der Zerstörung von Blitzschutzschaltungen. Diese Liste enthält Schäden an der Bordausrüstung von Verkehrsflugzeugen und Raumschiffen, falsche Abschaltungen ganzer „Pakete“ von Hochspannungsleitungen und den Ausfall der Ausrüstung von Antennenmobilkommunikationssystemen. Leider ist hier ein bemerkenswerter Platz besetzt durch die „Beschädigung“ der Tasche der normalen Bürger für Schäden an Haushaltsgeräten, die unsere Häuser immer mehr füllen.

SCHUTZMÖGLICHKEITEN

Wir sind es gewohnt, uns auf Blitzschutz zu verlassen. Erinnern Sie sich an die Ode an den großen Wissenschaftler des 18. Jahrhunderts, den Akademiker Michail Lomonossow, über ihre Erfindung? Unser berühmter Landsmann freute sich über den Sieg und sagte, das himmlische Feuer sei nicht mehr gefährlich. Natürlich erlaubt dieses Gerät auf dem Dach eines Wohngebäudes nicht, dass ein Blitz einen Holzboden oder andere brennbare Baumaterialien in Brand setzt. In Bezug auf elektromagnetische Effekte ist er machtlos. Es spielt keine Rolle, ob der Blitzstrom in seinem Kanal oder durch den Metallstab des Blitzableiters fließt, er erregt dennoch ein Magnetfeld und induziert aufgrund der magnetischen Induktion in internen Stromkreisen eine gefährliche Spannung. Um dies wirksam zu bekämpfen, ist ein Blitzableiter erforderlich, um den Entladungskanal bei entfernten Annäherungen an das geschützte Objekt abzufangen, d. H. sehr hoch werden, weil die induzierte Spannung umgekehrt proportional zum Abstand zum Stromleiter ist.

Heute wurden große Erfahrungen mit der Verwendung solcher Strukturen unterschiedlicher Höhe gesammelt.Die Statistiken sind jedoch nicht sehr beruhigend. Die Schutzzone eines Stabblitzstabs wird normalerweise in Form eines Kegels dargestellt, dessen Achse es ist, wobei sich jedoch eine Spitze etwas tiefer als sein oberes Ende befindet. Normalerweise bietet ein 30-Meter-Kern eine 99% ige Zuverlässigkeit des Gebäudeschutzes, wenn er sich etwa 6 Meter darüber erhebt. Dies zu erreichen ist kein Problem. Mit zunehmender Höhe des Blitzableiters wächst jedoch der Abstand von seiner Oberseite zum "bedeckten" Objekt, das für einen zufriedenstellenden Schutz erforderliche Minimum, rasch an. Bei einer 200-Meter-Struktur mit gleichem Zuverlässigkeitsgrad überschreitet dieser Parameter bereits 60 m und bei einer 500-Meter-Struktur 200 m.

Eine ähnliche Rolle spielt auch der bereits erwähnte Ostankino-Fernsehturm: Er kann sich nicht schützen, er verfehlt Blitzeinschläge in einer Entfernung von 200 m unterhalb des Gipfels. Der Radius der Schutzzone in Bodennähe für hohe Blitzableiter nimmt ebenfalls stark zu: Bei einem 30-Meter-Radius ist er mit seiner Höhe für denselben Fernsehturm vergleichbar - 1/5 seiner Höhe.

Mit anderen Worten, man kann nicht hoffen, dass Blitzableiter eines traditionellen Designs in der Lage sind, Blitze bei entfernten Annäherungen an das Objekt abzufangen, insbesondere wenn letzteres einen großen Bereich auf der Erdoberfläche einnimmt. Dies bedeutet, dass wir mit der tatsächlichen Wahrscheinlichkeit einer Blitzentladung in das Gebiet von Kraftwerken und Umspannwerken, Flugplätzen, Lagern für flüssige und gasförmige Brennstoffe und erweiterten Antennenfeldern rechnen müssen. Der Blitzstrom breitet sich im Boden aus und gelangt teilweise in die zahlreichen unterirdischen Verbindungen moderner technischer Einrichtungen. In der Regel gibt es elektrische Schaltkreise von Automatisierungs-, Steuerungs- und Informationsverarbeitungssystemen - die oben genannten mikroelektronischen Geräte. Übrigens ist die Berechnung von Strömen in der Erde selbst in der einfachsten Formulierung kompliziert. Die Schwierigkeiten verschärfen sich aufgrund starker Änderungen des Widerstands der meisten Böden in Abhängigkeit von der Stärke der in ihnen ausgebreiteten Kiloampere-Ströme, die nur für atmosphärische Elektrizitätsentladungen charakteristisch sind. Das Ohmsche Gesetz gilt nicht für die Berechnung von Schaltkreisen mit solchen nichtlinearen Widerständen.

Zur "Nichtlinearität" des Bodens kommt die Wahrscheinlichkeit der Bildung ausgedehnter Funkenkanäle hinzu. Reparaturmannschaften von Kabelleitungen sind mit einem solchen Bild gut vertraut. Eine Furche erstreckt sich von einem hohen Baum am Waldrand wie von einem Pflug oder einem alten Pflug über den Boden und bricht direkt über der Spur eines unterirdischen Telefonkabels ab, das an dieser Stelle beschädigt ist - die Metallhülle ist zerknittert, die Isolierung der Kerne ist zerstört. So manifestierte sich die Wirkung des Blitzes. Sie schlug gegen einen Baum, und seine Strömung, die sich entlang der Wurzeln ausbreitete, erzeugte ein starkes elektrisches Feld im Boden und bildete darin einen Plasmafunkenkanal. Tatsächlich setzte der Blitz seine Entwicklung sozusagen nicht nur durch die Luft, sondern auch im Boden fort. Und so kann es Dutzende passieren, und in besonders schlecht leitenden Strömungen Böden (felsig oder Permafrost) und Hunderte von Metern. Der Durchbruch zum Objekt erfolgt nicht auf herkömmliche Weise - von oben, sondern unter Umgehung von Blitzableitern von unten. Gleitende Entladungen entlang der Bodenoberfläche werden im Labor gut reproduziert. All diese komplexen und hochgradig nichtlinearen Phänomene erfordern experimentelle Forschung und Modellierung.

Der Strom zum Erzeugen einer Entladung kann durch eine künstliche gepulste Quelle erzeugt werden. Die Energie wird etwa eine Minute lang in der Kondensatorbank gesammelt und dann in einem Dutzend Mikrosekunden mit Erde in den Pool „verschüttet“. Solche kapazitiven Antriebe gibt es in vielen Hochspannungsforschungszentren. Ihre Abmessungen erreichen mehrere zehn Meter, die Masse mehrere zehn Tonnen. Sie können solche nicht in das Gebiet eines Umspannwerks oder einer anderen Industrieanlage liefern, um die Bedingungen für die Ausbreitung von Blitzströmen vollständig zu reproduzieren. Dies ist nur zufällig möglich, wenn sich das Objekt neben einem Hochspannungsstand befindet. Beispielsweise wird in einer offenen Anlage des Sibirischen Forschungsinstituts für Energie ein gepulster Hochspannungsgenerator neben einer 110-kV-Übertragungsleitung platziert. Dies ist natürlich eine Ausnahme.

Blitzsimulator

In der Tat sollte dies kein einzigartiges Experiment sein, sondern eine gewöhnliche Situation.Spezialisten benötigen dringend eine umfassende Simulation des Blitzstroms, da nur so ein zuverlässiges Bild der Verteilung der Ströme in unterirdischen Versorgungsunternehmen erhalten, die Auswirkungen des elektromagnetischen Feldes auf Geräte der Mikroprozessortechnologie gemessen und das Ausbreitungsmuster gleitender Funkenkanäle bestimmt werden kann. Entsprechende Tests sollten weit verbreitet sein und vor der Inbetriebnahme jeder grundlegend neuen verantwortlichen technischen Einrichtung durchgeführt werden, wie dies in der Luftfahrt und in der Astronautik seit langem der Fall ist. Heute gibt es keine andere Wahl, als eine leistungsstarke, aber kleine und mobile Quelle für Impulsströme mit Blitzstromparametern zu schaffen. Das Prototypmodell existiert bereits und wurde im September 2005 im Umspannwerk Donino (110 kV) erfolgreich getestet. Alle Geräte waren in einem Werksanhänger der Serienwolga untergebracht.

Der mobile Testkomplex basiert auf einem Generator, der die mechanische Energie einer Explosion in elektrische Energie umwandelt. Dieser Vorgang ist allgemein bekannt: Er findet in jeder elektrischen Maschine statt, in der die mechanische Kraft den Rotor bewegt und der Kraft seiner Wechselwirkung mit dem Magnetfeld des Stators entgegenwirkt. Der grundlegende Unterschied ist die extrem hohe Energiefreisetzungsrate während der Explosion, die den Metallkolben (Laufbuchse) in der Spule schnell beschleunigt. Es verschiebt das Magnetfeld in Mikrosekunden und sorgt für eine Hochspannungsanregung in einem Impulstransformator. Nach zusätzlicher Verstärkung durch einen Impulstransformator erzeugt die Spannung einen Strom im Testobjekt. Die Idee zu diesem Gerät gehört unserem herausragenden Landsmann, dem "Vater" der Wasserstoffbombe, dem Akademiker A.D. Sacharow.

Eine Explosion in einer speziellen hochfesten Kammer zerstört nur eine 0,5 m lange Spule und eine Auskleidung darin. Die restlichen Elemente des Generators werden wiederholt verwendet. Die Schaltung kann so eingestellt werden, dass die Wachstumsrate und die Dauer des erzeugten Impulses ähnlichen Blitzstromparametern entsprechen. Darüber hinaus ist es möglich, es in ein Objekt großer Länge zu „treiben“, beispielsweise in einen Draht zwischen Stromübertragungsleitungsstützen, in die Erdschleife eines modernen Umspannwerks oder in den Rumpf eines Verkehrsflugzeugs.

Beim Testen einer Prototyp-Generatorprobe wurden nur 250 g Sprengstoff in die Kammer gegeben. Dies reicht aus, um einen Stromimpuls mit einer Amplitude von bis zu 20.000 A zu bilden. Zum ersten Mal wurde jedoch kein derart radikaler Effekt erzielt - der Strom wurde künstlich begrenzt. Zu Beginn der Installation gab es nur ein leichtes Knallen der Sprengkamera. Und dann zeigten die Aufzeichnungen der überprüften digitalen Oszilloskope, dass ein Stromimpuls mit den angegebenen Parametern erfolgreich in den Blitzableiter des Umspannwerks eingeführt wurde. Sensoren stellten an verschiedenen Stellen in der Erdschleife einen Stromstoß fest.

Jetzt ist der Vollzeitkomplex in Vorbereitung. Es wird auf die vollständige Simulation von Blitzströmen abgestimmt und gleichzeitig auf der Rückseite eines Serienfahrzeugs platziert. Die Sprengkammer des Generators ist für 2 kg Sprengstoff ausgelegt. Es gibt allen Grund zu der Annahme, dass der Komplex universell sein wird. Mit seiner Hilfe wird es möglich sein, nicht nur elektrische Energie, sondern auch andere große Objekte neuer Geräte auf Widerstand gegen die Auswirkungen des Stroms und des elektromagnetischen Blitzfeldes zu testen: Kernkraftwerke, Telekommunikationsgeräte, Raketensysteme usw.

Ich möchte den Artikel in einem wichtigen Punkt abschließen, zumal es Gründe dafür gibt. Durch die Inbetriebnahme einer Vollzeitprüfanlage kann die Wirksamkeit der modernsten Schutzausrüstung objektiv bewertet werden. Es besteht jedoch weiterhin eine gewisse Unzufriedenheit. Tatsächlich folgt die Person wieder der Führung des Blitzes und ist gezwungen, ihre Willenskraft zu ertragen, während sie viel Geld verliert. Die Verwendung von Blitzschutzmitteln führt zu einer Erhöhung der Größe und des Gewichts des Objekts, die Kosten für knappe Materialien steigen.Paradoxe Situationen sind durchaus real, wenn die Größe der Schutzausrüstung die des geschützten Strukturelements überschreitet. Die technische Folklore speichert die Reaktion eines bekannten Flugzeugkonstrukteurs auf den Vorschlag, ein absolut zuverlässiges Flugzeug zu entwerfen: Diese Arbeit kann durchgeführt werden, wenn der Kunde mit dem einzigen Nachteil des Projekts in Einklang kommt - das Flugzeug wird niemals vom Boden abheben. Ähnliches passiert heute im Blitzschutz. Anstelle einer Offensive halten Experten eine kreisförmige Verteidigung. Um aus dem Teufelskreis auszubrechen, müssen Sie den Mechanismus der Bildung der Blitzbahn verstehen und Mittel finden, um diesen Prozess aufgrund schwacher äußerer Einflüsse zu steuern. Die Aufgabe ist schwierig, aber alles andere als hoffnungslos. Heute ist klar, dass ein Blitz, der sich von einer Wolke zur Erde bewegt, niemals ein Bodenobjekt trifft: Von seiner Spitze zu einem sich nähernden Blitz wächst ein Funkenkanal, der sogenannte entgegenkommende Anführer. Abhängig von der Höhe des Objekts erstreckt es sich über mehrere zehn Meter, manchmal mehrere hundert, und trifft auf Blitze. Natürlich passiert dieses „Datum“ nicht immer - ein Blitz kann fehlen.

Aber es ist ganz offensichtlich: Je früher der entgegenkommende Anführer auftaucht, desto weiter wird er zum Blitz vordringen und desto mehr Chancen haben sie, sich zu treffen. Daher müssen Sie lernen, wie Sie die Funkenkanäle von geschützten Objekten „verlangsamen“ und umgekehrt von Blitzableitern stimulieren. Der Grund für Optimismus liegt in den sehr schwachen externen elektrischen Feldern, in denen sich Blitze bilden. Bei einem Gewitter beträgt ein Feld in der Nähe der Erde etwa 100 bis 200 V / cm - ungefähr das gleiche wie auf der Oberfläche eines elektrischen Kabels aus Eisen oder Elektrorasierer. Da der Blitz mit einer solchen Kleinheit zufrieden ist, können die ihn steuernden Einflüsse genauso schwach sein. Es ist nur wichtig zu verstehen, an welchem ​​Punkt und in welcher Form sie serviert werden sollen. Vor uns liegt eine schwierige, aber interessante Forschungsarbeit.

Akademiker Vladimir FORTOV, Gemeinsames Institut für Hochtemperaturphysik RAS, Doktor der Technischen Wissenschaften Eduard BAZELYAN, Energieinstitut benannt nach G.M. Krzhizhanovsky.