Bagaimana untuk melindungi diri anda daripada kilat

Lightning sentiasa membangkitkan imaginasi seseorang dan keinginan untuk mengetahui dunia. Dia membawa api ke bumi, dengan menjinakkan mana, orang menjadi lebih kuat. Kami tidak lagi bergantung kepada penaklukan fenomena semula jadi yang menggerunkan ini, tetapi ingin "hidup berdampingan secara damai." Lagipun, semakin sempurna peralatan yang kami buat, elektrik atmosfera yang lebih berbahaya adalah untuknya. Salah satu kaedah perlindungan adalah dengan preliminarily, menggunakan simulator khas, menilai kelemahan kemudahan perindustrian bagi bidang kilat dan elektromagnet semasa.

Loving the storm pada awal Mei mudah untuk penyair dan artis. Jurutera kuasa, isyarat atau angkasawan tidak akan gembira dari permulaan musim ribut: dia menjanjikan terlalu banyak masalah. Rata-rata, setiap kilometer persegi Rusia setiap tahun menyumbang kira-kira tiga serangan kilat. Arus elektrik mereka mencapai 30,000 A, dan untuk pelepasan yang paling kuat ia boleh melebihi 200,000 A. Suhu dalam saluran plasma ion terion walaupun kilat sederhana boleh mencapai 30,000 ° C, yang beberapa kali lebih tinggi daripada di arka elektrik mesin kimpalan. Dan tentu saja, ini tidak sesuai untuk banyak kemudahan teknikal. Kebakaran dan letupan dari kilat langsung diketahui pakar. Tetapi orang biasa jelas membesar-besarkan risiko peristiwa sedemikian.

Hujung tiang bendera menara televisyen Ostankino. Jejak reflow dapat dilihat. Pada kenyataannya, "pemetik api surgawi" tidak begitu berkesan. Bayangkan: anda cuba untuk membuat api semasa taufan, apabila angin yang kuat sukar untuk menyala walaupun jerami kering. Aliran udara dari saluran kilat bahkan lebih kuat: pelepasannya menimbulkan gelombang kejutan, gegaran yang gemuruh yang memecahkan dan memadamkan api. Satu paradoks, tetapi kilat yang lemah adalah bahaya kebakaran, terutamanya jika arus kira-kira 100 A mengalir melalui salurannya untuk sepersepuluh detik (untuk umur dalam dunia pelepasan percikan!), Yang kedua ini tidak jauh berbeza daripada arka, dan arka elektrik akan menyalakan apa sahaja yang boleh dibakar.

Walau bagaimanapun, untuk bangunan ketinggian biasa, serangan kilat bukan kejadian yang kerap. Pengalaman dan pertunjukan teori: ia "tertarik" kepada struktur tanah dari jarak dekat dengan tiga ketinggiannya. Menara sepuluh tingkat ini akan mengumpulkan kira-kira 0.08 kilat setiap tahun, i.e. purata 1 hit dalam 12.5 tahun operasi. Sebuah pondok dengan loteng adalah kira-kira 25 kali lebih kecil: secara purata, pemilik perlu menunggu selama kira-kira 300 tahun.

Tetapi janganlah kita merendahkan bahaya. Sesungguhnya, sekiranya kilat menyerang sekurang-kurangnya satu daripada 300-400 rumah kampung, penduduk tempatan tidak mungkin mempertimbangkan peristiwa ini tidak penting. Tetapi ada objek yang jauh lebih besar - katakan, garis kuasa (DEB). Panjangnya mungkin melebihi 100 km, ketinggiannya 30 m, ini bermakna setiap orang akan mengumpul pukulan dari kanan dan kiri, dengan jalur lebar 90 m. Jumlah kawasan "menarik" akan melebihi 18 km2, jumlah mereka adalah 50 setiap tahun. Sudah tentu, sokongan keluli garis tidak akan terbakar, wayar tidak akan cair. Kilat menyerang kira-kira 30 kali setahun di hujung tiang bendera menara TV Ostankino (Moscow), tetapi tidak ada yang mengerikan. Dan untuk memahami mengapa mereka berbahaya untuk talian kuasa, anda perlu mengetahui sifat elektrik, bukan haba, kesannya.

KUASA UTAMA PENYAMPAIAN

Apabila diserang dalam sokongan talian elektrik, arus mengalir ke tanah melalui rintangan tanah, yang, sebagai peraturan, adalah 10-30 Ohms. Pada masa yang sama Undang-undang Ohm walaupun "sederhana" kilat, dengan arus 30,000 A, menghasilkan voltan 300-900 kV, dan kuat - beberapa kali lebih. Oleh itu, terdapat ribut petir berlebihan. Jika mereka mencapai tahap megavolt, penebat garis kuasa tidak berdiri dan pecah. Litar pintas berlaku. Garis itu diputuskan. Lebih buruk lagi, apabila saluran kilat memecah terus ke wayar.Kemudian overvoltage adalah suatu perintah magnitud yang lebih tinggi daripada dengan kerosakan kepada sokongan. Perjuangan menentang fenomena ini hari ini masih menjadi tugas sukar bagi industri tenaga elektrik. Selain itu, dengan peningkatan teknologi, kerumitannya hanya berkembang.

Menara TV Ostankino bertindak sebagai tongkat kilat, setelah melepaskan mogok kilat 200 meter di bawah puncak. Untuk memenuhi kebutuhan energi yang berkembang pesat manusia, loji kuasa moden mesti digabungkan menjadi sistem yang kuat. Sistem tenaga bersatu kini beroperasi di Rusia: semua kemudahannya beroperasi saling berkaitan. Oleh itu, kegagalan secara tidak sengaja walaupun satu talian penghantaran kuasa atau loji kuasa boleh membawa kepada akibat yang serius seperti yang berlaku di Moscow pada bulan Mei 2005. Banyak kemalangan sistem yang disebabkan oleh kilat telah dicatatkan di dunia. Salah satunya - di Amerika Syarikat pada tahun 1968, menyebabkan kerosakan berjuta-juta dolar. Kemudian pelepasan kilat dimatikan satu garisan kuasa, dan sistem kuasa tidak dapat menampung defisit tenaga yang timbul.

Tidak menghairankan bahawa pakar memberi perhatian sewajarnya kepada perlindungan garis kuasa dari kilat. Sepanjang keseluruhan garis overhead dengan voltan 110 kV atau lebih, kabel logam khas digantung, cuba melindungi wayar daripada hubungan langsung dari atas. Penebat mereka dimaksimumkan, rintangan asas sokongan amat dikurangkan, dan peranti semikonduktor, seperti yang melindungi litar masukan komputer atau TV berkualiti tinggi, digunakan untuk mengehadkan overvoltage. Benar, persamaan mereka hanya pada prinsip operasi, tetapi voltan operasi untuk pembatas linier dianggarkan berjuta-juta volt - menilai skala kos perlindungan terhadap kilat!

Orang sering bertanya sama ada ia layak untuk merancang garis yang benar-benar kilat? Jawapannya adalah ya. Tetapi di sini dua soalan baru tidak dapat dielakkan: siapa yang memerlukannya dan berapa banyak kosnya? Sesungguhnya, jika tidak mustahil untuk merosakkan talian penghantaran kuasa yang boleh dipercayai, maka mungkin, sebagai contoh, untuk membentuk suatu perintah palsu untuk mencabut garis atau memusnahkan litar automasi voltan rendah, yang dalam reka bentuk moden dibina pada teknologi mikropemproses. Voltan pengoperasian cip berkurangan setiap tahun. Hari ini ia dikira dalam unit volt. Itulah di mana ada ruang untuk kilat! Dan tidak ada keperluan untuk mogok langsung, kerana ia dapat bertindak secara jauh dan segera di kawasan yang besar. Senjata utamanya ialah medan elektromagnet. Ia telah disebutkan di atas mengenai arus kilat, walaupun kedua-dua arus dan kadar pertumbuhannya adalah penting untuk menilai daya elektromotif induksi magnetik. Dalam kilat, yang terakhir boleh melebihi 2 • 1011 A / s. Dalam mana-mana litar dengan luas 1 m2 pada jarak 100 m dari saluran kilat, arus sedemikian akan mendorong voltan kira-kira dua kali lebih tinggi seperti di cawangan bangunan kediaman. Ia tidak mengambil banyak imaginasi untuk membayangkan nasib mikrochip yang direka untuk voltan pesanan satu volt.

Dalam amalan dunia, terdapat banyak kemalangan yang serius kerana pemusnahan litar kawalan kilat. Senarai ini termasuk kerosakan pada peralatan kapal udara dan kapal angkasa, penutupan palsu seluruh "pakej" talian kuasa voltan tinggi, dan kegagalan peralatan sistem komunikasi mudah alih antena. Malangnya, tempat yang terkenal di sini juga diduduki oleh "kerosakan" kepada warganegara biasa yang boleh rosak oleh perkakas rumah, yang semakin mengisi rumah kita.

CARA PERLINDUNGAN

Kami digunakan untuk bergantung kepada perlindungan kilat. Ingatlah ode kepada saintis besar abad XVIII, ahli akademik Mikhail Lomonosov mengenai ciptaan mereka? Senegara terkenal kami gembira dengan kemenangan itu, mengatakan bahawa api syurga telah menjadi tidak berbahaya. Sudah tentu, peranti ini di atas bumbung bangunan kediaman tidak akan membenarkan petir membakar lantai kayu atau bahan binaan mudah terbakar yang lain. Berkenaan dengan kesan elektromagnet, dia tidak berkuasa. Ia tidak membezakan sama ada arus kilat mengalir dalam salurannya atau melalui rod logam rod kilat, namun ia menggembirakan medan magnet dan mendorong voltan berbahaya akibat induksi magnet dalam litar elektrik dalaman. Untuk memerangi ini dengan berkesan, rod kilat diperlukan untuk memintas saluran pelepasan pada pendekatan jauh ke objek yang dilindungi, iaitu. menjadi sangat tinggi, kerana voltan teraruh berbanding terbalik dengan jarak ke konduktor semasa.

Hari ini, pengalaman hebat telah diperoleh dengan menggunakan struktur-struktur seperti ketinggian yang berbeza.Walau bagaimanapun, statistik tidak begitu menghiburkan. Zon perlindungan rod kilat batang biasanya disajikan dalam bentuk kon, paksi yang mana, tetapi dengan puncak yang terletak sedikit lebih rendah dari ujung atasnya. Biasanya "teras" 30 meter memberikan kebolehpercayaan 99% perlindungan bangunan jika naik kira-kira 6 meter di atasnya. Untuk mencapai hal ini tidak menjadi masalah. Tetapi dengan peningkatan ketinggian rod kilat, jarak dari atas ke objek "tertutup", minimum yang diperlukan untuk perlindungan yang memuaskan, berkembang pesat. Untuk struktur 200 meter dengan tahap kebolehpercayaan yang sama, parameter ini sudah melebihi 60 m, dan untuk struktur 500 meter - 200 m.

Menara TV Ostankino yang dinyatakan di atas juga memainkan peranan yang sama: ia tidak dapat melindungi dirinya sendiri, ia merindukan serangan kilat pada jarak 200 m di bawah puncak. Radius zon perlindungan di aras tanah untuk batang kilat tinggi juga meningkat dengan ketara: untuk satu meter 30 meter, setanding dengan ketinggiannya, untuk menara TV yang sama - 1/5 ketinggiannya.

Dalam erti kata lain, seseorang tidak boleh berharap rod kilat reka bentuk tradisional dapat memintas kilat pada pendekatan yang jauh ke objek, terutama jika yang kedua menduduki kawasan yang besar di permukaan bumi. Ini bermakna kita mesti mengira dengan kebarangkalian sebenar pelepasan kilat ke dalam wilayah loji janakuasa dan pencawang, lapangan terbang, gudang cecair dan bahan api gas, bidang antena yang diperluaskan. Menyebar di dalam tanah, arus kilat sebahagiannya memasuki banyak komunikasi bawah tanah kemudahan teknikal moden. Sebagai peraturan, terdapat litar elektrik automasi, kawalan dan sistem pemprosesan maklumat - peranti mikroelektronik yang disebutkan di atas. By the way, pengiraan arus di bumi adalah rumit walaupun dalam rumusan yang paling mudah. Kesukaran diperburuk kerana perubahan kuat dalam rintangan kebanyakan tanah, bergantung kepada kekuatan arus kiloampere yang menyebarkannya, yang hanya ciri-ciri pelepasan elektrik atmosfera. Undang-undang Ohm tidak terpakai kepada pengiraan litar dengan rintangan tak linear sedemikian.

Kepada "tidak linear" tanah ditambah kebarangkalian pembentukan saluran percikan yang dilanjutkan di dalamnya. Krew pembaikan talian kabel sudah tahu dengan gambar sedemikian. Tali pinggang terbentang di sepanjang tanah dari pokok tinggi di pinggir hutan, seolah-olah dari bajak atau bajak tua, dan memecahkan tepat di atas landasan kabel telefon bawah tanah yang rosak di tempat ini - sarung logam renyuk, penebat teras itu musnah. Jadi kesan petir itu muncul sendiri. Dia memukul pokok, dan arusnya, menyebar di sepanjang akar, mencipta medan elektrik yang kuat di dalam tanah, membentuk saluran percikan plasma di dalamnya. Sebenarnya, kilat meneruskan pembangunannya, kerana ia bukan sahaja melalui udara, tetapi di dalam tanah. Dan sebagainya boleh lulus berpuluh-puluh, dan di kawasan arus terutamanya yang kurang baik (berbatu atau permafrost) dan beratus-ratus meter. Terobosan ke objek tidak dilakukan dengan cara tradisional - dari atas, tetapi melangkau sebarang batang kilat dari bawah. Pelepasan gelongsor di sepanjang permukaan tanah dihasilkan dengan baik di makmal. Semua fenomena yang kompleks dan sangat tidak linear ini memerlukan kajian eksperimen, pemodelan.

Arus untuk menjana pelepasan boleh dijana oleh sumber berdenyut buatan. Tenaga terkumpul di dalam kapasitor bank selama kira-kira seminit, dan kemudian "tertumpah" ke dalam kolam dengan tanah dalam selusin mikrodetik. Pemacu kapasitif sedemikian terdapat di banyak pusat penyelidikan voltan tinggi. Dimensi mereka mencapai puluhan meter, berjuta-juta tan. Anda tidak boleh menghantar apa-apa kepada wilayah pencawang elektrik atau kemudahan perindustrian lain untuk sepenuhnya menghasilkan semula syarat-syarat bagi penyebaran arus kilat. Ini mungkin berlaku secara tidak sengaja, apabila objek bersebelahan dengan pendirian voltan tinggi - contohnya, dalam pemasangan terbuka Institut Penyelidikan Tenaga Siberia, penjana voltan tinggi berdenyut diletakkan di sebelah garis penghantaran 110 kV. Tetapi ini, tentu saja, adalah pengecualian.

Lightning Bolt Simulator

Malah, ini tidak sepatutnya menjadi percubaan yang unik, tetapi keadaan biasa.Pakar sangat memerlukan simulasi skala penuh arus kilat, kerana ini adalah satu-satunya cara untuk mendapatkan gambaran yang boleh dipercayai mengenai pengedaran arus dalam utiliti bawah tanah, mengukur kesan medan elektromagnet pada peranti mikropemproses, dan menentukan sifat penyebaran saluran percikan api. Ujian yang sepadan perlu menjadi luas dan dijalankan sebelum pentauliahan setiap kemudahan teknikal yang bertanggungjawab secara asasnya, seperti yang telah lama dilakukan dalam penerbangan dan angkasawan. Hari ini tidak ada alternatif tetapi untuk menghasilkan sumber arus nadi berkuasa, tetapi kecil dan mudah alih dengan parameter semasa kilat. Model prototaipnya sudah ada dan berjaya diuji di pencawang Donino (110 kV) pada September 2005. Semua peralatan ditempatkan dalam treler kilang dari Volga bersiri.

Kompleks ujian mudah alih didasarkan pada penjana yang menukar tenaga mekanikal letupan menjadi tenaga elektrik. Proses ini umumnya diketahui: berlaku di mana-mana mesin elektrik, di mana daya mekanikal memacu pemutar, menentang daya interaksinya dengan medan magnet stator. Perbezaan asas ialah kadar pelepasan tenaga yang sangat tinggi semasa letupan, yang dengan cepat mempercepatkan omboh logam (pelapik) di dalam gegelung. Ia menggantikan medan magnet dalam mikrodetik, memberikan pengujaan voltan tinggi dalam pengubah nadi. Selepas amplifikasi tambahan oleh pengubah nadi, voltan menjana arus dalam objek ujian. Idea peranti ini adalah milik rakan senegara kita yang luar biasa, "bapak" bom hidrogen, ahli akademik A.D. Sakharov.

Letupan di dalam ruang berkuasa tinggi khas menghancurkan hanya gegelung panjang 0.5 m dan pelapik di dalamnya. Unsur yang tersisa dari penjana digunakan berulang kali. Litar boleh diselaraskan supaya kadar pertumbuhan dan tempoh nadi yang dihasilkan sesuai dengan parameter semasa kilat yang serupa. Selain itu, ia boleh "memandu" ke dalam objek panjang yang besar, sebagai contoh, ke dalam wayar antara talian penghantaran kuasa sokongan, ke dalam gelung tanah pencawang moden atau ke dalam fiusl pesawat.

Semasa menguji sampel penjana prototaip, hanya 250 g bahan peledak dimasukkan ke dalam ruang. Ini cukup untuk membentuk nadi semasa dengan amplitud sehingga 20,000 A. Walau bagaimanapun, buat kali pertama mereka tidak pergi untuk kesan radikal sedemikian - arusnya terhad secara artifisial. Pada permulaan pemasangan, terdapat hanya cahaya yang muncul dari kamera letupan. Dan kemudian rakaman oscilloscopy digital diperiksa kemudian menunjukkan: nadi semasa dengan parameter yang diberikan telah berjaya diperkenalkan ke konduktor kilat pencawang. Sensor mencatatkan lonjakan kuasa di pelbagai titik dalam gelung tanah.

Kini kompleks waktu penuh sedang dalam proses penyediaan. Ia akan ditala kepada simulasi skala penuh arus kilat dan pada masa yang sama akan diletakkan di belakang trak bersiri. Ruang peledak penjana direka bentuk untuk bekerja dengan bahan letupan 2 kg. Terdapat banyak sebab untuk mempercayai bahawa kompleks itu akan universal. Dengan pertolongannya, ia mungkin untuk menguji bukan sahaja kuasa elektrik, tetapi juga objek bersaiz besar peralatan baru untuk penentangan terhadap kesan arus dan medan elektromagnetik petir: tumbuhan tenaga nuklear, peranti telekomunikasi, sistem peluru berpandu, dan sebagainya.

Saya ingin menamatkan artikel itu dengan nota utama, terutamanya kerana ada alasan untuk ini. Pentauliahan kemudahan ujian sepenuh masa akan memungkinkan untuk secara objektif menilai keberkesanan peralatan pelindung yang paling maju. Walau bagaimanapun, beberapa ketidakpuasan masih kekal. Malah, orang itu lagi mengikuti petunjuk petir dan dipaksa untuk bersabar dengan keinginannya, sambil kehilangan banyak wang. Penggunaan perlindungan kilat bermaksud membawa kepada peningkatan saiz dan berat objek, kos bahan langka semakin meningkat.Keadaan paradoks agak nyata apabila saiz peralatan pelindung melebihi elemen struktur terlindung. Cerita dongeng kejuruteraan menyimpan tindak balas seorang pereka pesawat terkenal dengan cadangan untuk mereka bentuk pesawat yang benar-benar boleh dipercayai: kerja ini boleh dilakukan jika pelanggan menyesuaikan dengan satu-satunya kelemahan projek - pesawat itu tidak akan datang dari tanah. Sesuatu yang serupa berlaku dalam perlindungan kilat hari ini. Daripada serangan, pakar memegang pertahanan pekeliling. Untuk memecah lingkaran setan, anda perlu memahami mekanisme pembentukan trajektori kilat dan mencari cara mengawal proses ini kerana pengaruh luaran yang lemah. Tugas itu sukar, tetapi jauh dari harapan. Hari ini adalah jelas bahawa kilat bergerak dari awan ke bumi tidak pernah menyerang objek tanah: dari atas ke arah kilat yang menghampiri saluran bunga yang tumbuh, yang dipanggil pemimpin yang akan datang. Bergantung pada ketinggian objek, ia terbentang untuk puluhan meter, kadang-kadang beberapa ratus dan bertemu dengan kilat. Sudah tentu, "tarikh" ini tidak selalu berlaku - kilat boleh terlepas.

Tetapi agak jelas: semakin cepat pemimpin yang akan datang, semakin jauh dia akan maju ke kilat dan, oleh itu, lebih banyak peluang untuk mereka bertemu. Oleh itu, anda perlu belajar bagaimana untuk "melambatkan" saluran percikan dari objek yang dilindungi dan sebaliknya, untuk merangsang daripada konduktor kilat. Alasan optimisme diilhamkan oleh medan elektrik luaran yang sangat lemah di mana petir terbentuk. Dalam ribut petir, padang berhampiran bumi adalah kira-kira 100-200 V / cm - kira-kira sama dengan permukaan kord elektrik besi atau pencukur elektrik. Oleh kerana petir berpuas hati dengan kekurangan itu, ini bermakna pengaruh yang mengawalnya mungkin sama seperti lemah. Ia hanya penting untuk difahami di mana titik dan dalam bentuk apa yang harus disampaikan. Di hadapan adalah kerja penyelidikan yang sukar tetapi menarik.

Ahli akademik Vladimir FORTOV, Institut Bersama untuk RIS Fisika Suhu Tinggi, Doktor Sains Teknikal Eduard BAZELYAN, Institut Tenaga dinamai G.M. Krzhizhanovsky.