Cum să te protejezi de fulgere

Fulgerul a trezit întotdeauna imaginația și dorința de a cunoaște lumea. Ea a adus foc pe pământ, după ce a îmblânzit-o, oamenii au devenit mai puternici. Încă nu ne bazăm pe cucerirea acestui fenomen natural formidabil, dar ne-ar dori „coexistența pașnică”. La urma urmei, cu cât echipamentul pe care îl creăm este mai perfect, cu atât este mai periculoasă energia electrică atmosferică. Una dintre metodele de protecție este de a evalua în mod preliminar, folosind un simulator special, vulnerabilitatea instalațiilor industriale pentru câmpul curent și electromagnetic al fulgerului.

A iubi furtuna la începutul lunii mai este ușor pentru poeți și artiști. Inginerul, semnalistul sau astronautul nu va fi încântat de la începutul sezonului furtunii: el promite prea multe probleme. În medie, fiecare kilometru pătrat al Rusiei reprezintă anual aproximativ trei lovituri de trăsnet. Curentul electric ajunge la 30.000 A, iar pentru cele mai puternice descărcări poate depăși 200.000 A. Temperatura într-un canal plasmatic bine ionizat, cu un fulger chiar moderat, poate atinge 30.000 ° C, care este de câteva ori mai mare decât în ​​arcul electric al mașinii de sudat. Și, bineînțeles, acest lucru nu este bine pentru multe facilități tehnice. Incendiile și exploziile generate de fulgerul direct sunt bine cunoscute de specialiști. Dar oamenii obișnuiți exagerează clar riscul unui astfel de eveniment.

Vârful stâlpului turnului de televiziune Ostankino. Urmele de reflow sunt vizibile, în realitate, „bricheta electrică celestă” nu este atât de eficientă. Imaginați-vă: încercați să faceți un incendiu în timpul unui uragan, când din cauza vântului puternic este dificil să aprindeți chiar și paie uscată. Curentul de aer de la canalul fulger este și mai puternic: descărcarea sa dă naștere la o undă de șoc, a cărei zgomot furtunoasă rupe și stinge flacăra. Un paradox, dar un fulger slab este pericol de incendiu, mai ales dacă un curent de aproximativ 100 A curge prin canalul său timp de zeci de secunde (pentru vârstele din lumea descărcărilor cu scântei!), Acesta din urmă nu este mult diferit de un arc, iar un arc electric va aprinde tot ce poate arde.

Cu toate acestea, pentru o clădire cu o înălțime normală, loviturile de trăsnet nu sunt frecvente. Experiența și teoria arată: este „atrasă” de o structură la sol de la o distanță aproape de cele trei înălțimi ale sale. Turnul cu zece etaje va colecta aproximativ 0,08 fulgere anual, adică. o medie de 1 lovitură în 12,5 ani de funcționare. O cabană cu mansardă este de aproximativ 25 de ori mai mică: în medie, proprietarul va trebui să „aștepte” aproximativ 300 de ani.

Dar să nu dărâmăm pericolul. Într-adevăr, dacă fulgerul lovește cel puțin una dintre cele 300-400 de case din sat, este puțin probabil ca rezidenții locali să considere acest eveniment nesemnificativ. Există însă obiecte de lungime mult mai mare - să zicem, linii electrice (NEP). Lungimea lor poate depăși 100 km, înălțimea lor este de 30 m. Aceasta înseamnă că fiecare dintre ei va colecta lovituri de la dreapta și la stânga, cu benzi de 90 m lățime. Suprafața totală de „tragere” a fulgerului va depăși 18 km2, numărul lor este de 50 pe an. Desigur, suporturile din oțel ale liniei nu se vor arde, firele nu se vor topi. Fulgerul lovește de aproximativ 30 de ori pe an la vârful stâlpului turneului turnului Ostankino TV (Moscova), dar nu se întâmplă nimic groaznic. Pentru a înțelege de ce sunt periculoase pentru liniile electrice, trebuie să cunoașteți natura efectelor electrice, nu termice.

PUTEREA PRINCIPALĂ A LUMINĂRII

Când este lovit în sprijinul liniei electrice, curentul curge în sol prin rezistența la sol, care, de regulă, este de 10-30 Ohmi. În același timp Legea lui Ohm chiar și fulgerul „mediu”, cu un curent de 30.000 A, creează o tensiune de 300-900 kV și puternic - de câteva ori mai mult. Deci, există supratensiuni furtunoase. Dacă ating nivelul de megavolt, izolația liniei de transmisie a energiei nu rezistă și se întrerupe. Se produce un scurtcircuit. Linia este deconectată. Și mai rău, când un canal de fulgere se rupe direct la fire.Atunci supratensiunea este un ordin de mărime mai mare decât cu deteriorarea suportului. Lupta împotriva acestui fenomen rămâne astăzi o sarcină dificilă pentru industria energiei electrice. Mai mult, odată cu îmbunătățirea tehnologiei, complexitatea acesteia crește doar.

Turnul Ostankino TV a acționat ca un trăsnet, având ratat un fulger la 200 de metri sub vârf. Pentru a satisface nevoile energetice în creștere rapidă ale omenirii, centralele moderne trebuie combinate în sisteme puternice. Un sistem energetic unificat funcționează acum în Rusia: toate instalațiile sale funcționează interconectate. Prin urmare, eșecul accidental al unei linii de transport sau a unei centrale electrice poate duce la consecințe grave similare cu cele întâmplate la Moscova în mai 2005. În lume s-au remarcat multe accidente de sistem cauzate de fulgere. Unul dintre ei - în SUA, în 1968, a provocat daune multimilionare. Apoi, o descărcare de trăsnet a oprit o linie electrică, iar sistemul de alimentare nu a putut face față deficitului energetic apărut.

Nu este surprinzător faptul că specialiștii acordă atenție cuvenită protecției liniilor electrice împotriva fulgerului. Cablurile metalice speciale sunt suspendate pe întreaga lungime a liniilor aeriene cu o tensiune de 110 kV și mai mult, încercând să protejeze firele de contactul direct de sus. Izolația lor este maximizată, rezistența la împământare a suporturilor este extrem de redusă, iar dispozitivele semiconductoare, precum cele care protejează circuitele de intrare ale computerelor sau televizoarelor de înaltă calitate, sunt folosite pentru a limita supratensiunile. Adevărat, similitudinea lor este doar în principiu de funcționare, dar tensiunea de funcționare pentru limitatoarele liniare este estimată în milioane de volți - evaluați scala costului protecției împotriva trăsnetului!

Oamenii se întreabă deseori dacă este posibil să proiectăm o linie absolut rezistentă la trăsnet? Răspunsul este da. Dar aici sunt inevitabile două întrebări noi: cine are nevoie și cât va costa? Într-adevăr, dacă este imposibil să deteriorați o linie de transmisie de putere protejată în mod fiabil, atunci este posibil, de exemplu, să formați o comandă falsă pentru a deconecta linia sau pur și simplu distruge circuitele de automatizare de joasă tensiune, care în proiectarea modernă sunt construite pe tehnologia microprocesorului. Tensiunea de funcționare a jetoanelor scade în fiecare an. Astăzi se calculează în unități de volți. Acolo este loc pentru fulgere! Și nu este nevoie de o grevă directă, deoarece este capabil să acționeze de la distanță și imediat pe suprafețe mari. Arma sa principală este câmpul electromagnetic. A fost menționat mai sus despre curentul fulger, deși atât curentul, cât și ritmul său de creștere sunt importante pentru evaluarea forței electromotive a inducției magnetice. La fulgere, acestea din urmă pot depăși 2 • 1011 A / s. În orice circuit cu o suprafață de 1 m2 la o distanță de 100 m de canalul fulger, un astfel de curent va induce o tensiune de aproximativ de două ori mai mare decât în ​​prizele unei clădiri rezidențiale. Nu este nevoie de multă imaginație pentru a vă imagina soarta microcipurilor proiectate pentru o tensiune de ordinul unui volt.

În practica mondială, există multe accidente grave din cauza distrugerii circuitelor de control al trăsnetului. Această listă include avarii echipamentelor de bord și a navei spațiale la bord, opriri false ale pachetelor întregi de linii electrice de înaltă tensiune și defectarea echipamentelor de sisteme de comunicații mobile antene. Din păcate, un loc vizibil aici este ocupat de „pagubele” din buzunarul cetățenilor obișnuiți pentru deteriorarea aparatelor de uz casnic, care din ce în ce mai mult ne umple casele.

CALE DE PROTECȚIE

Suntem obișnuiți să ne bazăm pe protecția împotriva trăsnetului. Îți aduci aminte de oda pentru marele om de știință din secolul XVIII, academicianul Mikhail Lomonosov cu privire la invenția lor? Celebrul nostru compatriot a fost încântat de victorie, a spus că focul ceresc a încetat să mai fie periculos. Desigur, acest dispozitiv de pe acoperișul unei clădiri rezidențiale nu va permite fulgerului să aprindă focul pe o podea din lemn sau alte materiale de construcție combustibile. În ceea ce privește efectele electromagnetice, el este neputincios. Nu face nicio diferență dacă curentul fulger curge în canalul său sau prin tija metalică a fulgerului, totuși excită un câmp magnetic și induce o tensiune periculoasă prin inducție magnetică în circuitele electrice interne. Pentru a combate acest lucru în mod eficient, este nevoie de un trăsnet pentru a intercepta canalul de descărcare la apropierea de la distanță a obiectului protejat, adică devin foarte mari, deoarece tensiunea indusă este invers proporțională cu distanța la conductorul de curent.

Astăzi, a fost acumulată o experiență deosebită în utilizarea unor astfel de structuri de diferite înălțimi.Cu toate acestea, statisticile nu sunt foarte reconfortante. Zona de protecție a unui fulger de tijă este de obicei prezentată sub forma unui con, axa căruia este, dar cu un vârf situat puțin mai jos decât capătul său superior. De obicei, un „miez” de 30 de metri asigură o fiabilitate de 99% a protecției clădirii dacă se ridică la aproximativ 6 metri deasupra ei. Pentru a realiza acest lucru nu este o problemă. Dar, odată cu creșterea înălțimii fulgerului, distanța de la vârful său până la obiectul „acoperit”, minimul necesar pentru o protecție satisfăcătoare, crește rapid. Pentru o structură de 200 de metri cu același grad de fiabilitate, acest parametru depășește deja 60 m, iar pentru o structură de 500 de metri - 200 m.

Turnul Ostankino TV menționat mai joacă și un rol similar: nu este capabil să se protejeze, trece fulgere la o distanță de 200 m sub vârf. Raza zonei de protecție la nivelul solului pentru barele de trăsnet ridică de asemenea brusc: pentru un metru de 30 de metri, este comparabilă cu înălțimea sa, pentru același turn TV - 1/5 din înălțimea sa.

Cu alte cuvinte, nu se poate spera că fulgerele unui design tradițional vor putea să intercepteze fulgerul în apropierea îndepărtată a obiectului, mai ales dacă acesta din urmă ocupă o suprafață mare pe suprafața pământului. Aceasta înseamnă că trebuie să luăm în calcul probabilitatea reală a unei descărcări de trăsnet pe teritoriul centralelor și stațiilor electrice, a câmpurilor aeriene, a depozitelor de combustibili lichizi și gazoși, a câmpurilor antene extinse. Răspândindu-se în pământ, curentul fulger intră parțial în numeroasele comunicații subterane ale instalațiilor tehnice moderne. De regulă, există circuite electrice ale sistemelor de automatizare, control și procesare a informațiilor - dispozitivele foarte microelectronice menționate mai sus. Apropo, calculul curenților din pământ este complicat chiar și în cea mai simplă formulare. Dificultățile sunt exacerbate din cauza schimbărilor puternice ale rezistenței majorității solurilor, în funcție de rezistența curenților de kiloampere care se răspândesc în ele, care sunt caracteristice doar pentru descărcările de electricitate atmosferică. Legea lui Ohm nu se aplică calculului circuitelor cu astfel de rezistențe neliniare.

La „neliniaritatea” solului se adaugă probabilitatea formării unor canale de scânteie extinse în el. Echipajele de reparație ale liniilor de cablu sunt bine cunoscute cu o astfel de imagine. O brazdă se întinde de-a lungul pământului de la un copac înalt de pe o margine de pădure, parcă dintr-un plug sau un plug vechi, și se desprinde chiar deasupra căii unui cablu telefonic subteran care este deteriorat în acest loc - teaca metalică este sfărâmată, izolația miezurilor este distrusă. Deci efectul fulgerului s-a manifestat. A lovit un copac, iar curentul său, răspândindu-se de-a lungul rădăcinilor, a creat un câmp electric puternic în pământ, a format un canal de scânteie în el. De fapt, fulgerul și-a continuat dezvoltarea, așa cum era, nu numai prin aer, ci și în pământ. Și astfel poate trece zeci și, în special, solurile cu curenți conducători (stâncoși sau permafrost) și sute de metri. Descoperirea obiectului nu se realizează în mod tradițional - de sus, ci ocolind orice trăsnet de jos. Deversările glisante de-a lungul suprafeței solului sunt bine reproduse în laborator. Toate aceste fenomene complexe și extrem de neliniare au nevoie de cercetare experimentală, modelare.

Curentul pentru generarea unei descărcare poate fi generat de o sursă artificială pulsată. Energia este acumulată în banca condensatorului aproximativ un minut, apoi este „vărsată” în bazin cu pământ într-o duzină de microsecunde. Astfel de acționări capacitive se găsesc în multe centre de cercetare de înaltă tensiune. Dimensiunile lor ating zeci de metri, masă - zeci de tone. Nu puteți livra acest lucru pe teritoriul unei stații electrice sau al unei alte instalații industriale pentru a reproduce pe deplin condițiile de răspândire a curenților de trăsnet. Acest lucru este posibil doar accidental, când obiectul este adiacent unui stand de înaltă tensiune - de exemplu, într-o instalație deschisă a Institutului de Cercetări Siberiene pentru Energie, un generator pulsat de înaltă tensiune este plasat lângă o linie de transmisie de 110 kV. Dar, desigur, aceasta este o excepție.

Simulator de fulgere

De fapt, acesta nu ar trebui să fie un experiment unic, ci o situație obișnuită.Specialiștii au mare nevoie de o simulare la scară completă a curentului fulger, deoarece aceasta este singura modalitate de a obține o imagine fiabilă a distribuției curenților în utilitățile subterane, de a măsura efectele câmpului electromagnetic pe dispozitivele cu tehnologie cu microprocesor și de a determina modelul de propagare a canalelor de scânteie glisante. Testele corespunzătoare ar trebui să devină răspândite și să fie efectuate înainte de punerea în funcțiune a fiecărei instalații tehnice fundamental noi, așa cum s-a făcut de mult timp în aviație și astronautică. Astăzi nu există altă alternativă decât crearea unei surse puternice, dar de dimensiuni mici și mobile, a curenților de impulsuri, cu parametri ai curentului fulger. Modelul său de prototip există deja și a fost testat cu succes la stația Donino (110 kV) în septembrie 2005. Toate echipamentele au fost adăpostite într-o remorcă din fabrica Volga.

Complexul de testare mobil se bazează pe un generator care transformă energia mecanică a unei explozii în energie electrică. Acest proces este în general binecunoscut: are loc în orice mașină electrică, unde forța mecanică mișcă rotorul, contracarand forța interacțiunii sale cu câmpul magnetic al statorului. Diferența fundamentală este rata extrem de mare de eliberare a energiei în timpul exploziei, care accelerează rapid pistonul (căptușeala) metalică din interiorul serpentinei. Deplasează câmpul magnetic în microsecunde, oferind excitație de înaltă tensiune într-un transformator de impuls. După amplificarea suplimentară de către un transformator de impuls, tensiunea generează un curent în obiectul de testare. Ideea acestui dispozitiv aparține compatriotului nostru remarcabil, „părintele” bombei cu hidrogen, academicianul A.D. Saharov.

O explozie într-o cameră specială de înaltă rezistență distruge doar o bobină lungă de 0,5 m și o căptușeală în interiorul acesteia. Elementele rămase ale generatorului sunt utilizate în mod repetat. Circuitul poate fi reglat astfel încât rata de creștere și durata impulsului generat să corespundă parametrilor similari ai curentului fulger. Mai mult, este posibil să-l „conduci” într-un obiect de lungime mare, de exemplu, într-un fir între suporturile pentru linia de transmisie a puterii, în bucla de la sol a unei stații moderne sau în fuzelajul unui avion.

La testarea unui eșantion generator de prototipuri, doar 250 g de explozibili au fost puși în cameră. Acest lucru este suficient pentru a forma un impuls de curent cu o amplitudine de până la 20.000 A. Cu toate acestea, pentru prima dată nu au mers pentru un efect atât de radical - curentul era limitat artificial. La începutul instalării, a apărut doar o lumină a camerei de explozie. Și apoi înregistrările osciloscoapelor digitale verificate au arătat: un impuls de curent cu parametrii dați a fost introdus cu succes în conductorul de trăsnet al stației. Senzorii au observat o creștere a puterii în diferite puncte ale buclei la sol.

Acum, complexul cu normă întreagă este în proces de pregătire. Acesta va fi reglat la simularea la scară completă a curenților de trăsnet și, în același timp, va fi plasat în partea din spate a unui camion serial. Camera explozivă a generatorului este proiectată să funcționeze cu 2 kg de explozibili. Există toate motivele pentru a crede că complexul va fi universal. Cu ajutorul său, va fi posibilă testarea nu numai a energiei electrice, dar și a altor obiecte de dimensiuni mari ale echipamentelor noi pentru rezistența la efectele curentului și câmpului electromagnetic al fulgerului: centrale nucleare, dispozitive de telecomunicații, sisteme de rachete etc.

Aș dori să termin articolul cu o notă majoră, mai ales că există motive pentru acest lucru. Punerea în funcțiune a unei instalații de testare cu normă întreagă va face posibilă evaluarea obiectivă a eficienței celor mai avansate echipamente de protecție. Cu toate acestea, rămâne încă o nemulțumire. De fapt, persoana urmărește din nou conducerea fulgerului și este obligată să pună capăt voinței sale, pierzând în același timp o mulțime de bani. Utilizarea mijloacelor de protecție împotriva trăsnetului duce la creșterea dimensiunii și a greutății obiectului, costurile materialelor rare crescând.Situațiile paradoxale sunt destul de reale atunci când dimensiunile echipamentelor de protecție le depășesc pe cele ale elementului structural protejat. Folclorul ingineresc stochează răspunsul unui cunoscut proiectant de aeronave la propunerea de proiectare a unei aeronave absolut de încredere: această lucrare se poate face dacă clientul se împacă cu singurul dezavantaj al proiectului - aeronava nu va ieși niciodată de pe sol. Ceva similar se întâmplă astăzi în protecția împotriva trăsnetului. În loc de o ofensivă, experții dețin o apărare circulară. Pentru a ieși din cercul vicios, trebuie să înțelegeți mecanismul de formare a traiectoriei fulgerului și să găsiți mijloace de control al acestui proces din cauza influențelor externe slabe. Sarcina este dificilă, dar departe de a fi lipsită de speranță. Astăzi este clar că fulgerul care se deplasează dintr-un nor pe pământ nu lovește niciodată un obiect de sol: din vârful său spre un fulger care se apropie crește un canal de scânteie, așa-numitul lider care se apropie. În funcție de înălțimea obiectului, acesta se întinde pe zeci de metri, uneori câteva sute și întâlnește fulgerul. Desigur, această „întâlnire” nu se întâmplă întotdeauna - fulgerul poate lipsi.

Dar este destul de evident: cu cât va apărea mai devreme liderul, cu atât va avansa la fulgere și, prin urmare, vor avea șanse mai mari să se întâlnească. Prin urmare, trebuie să învățați cum să „încetiniți” canalele de scânteie de la obiectele protejate și, dimpotrivă, să stimulați de la conductorii de trăsnet. Motivul optimismului este inspirat de acele câmpuri electrice externe foarte slabe în care se formează fulgere. În furtuni, un câmp din apropierea pământului este de aproximativ 100-200 V / cm - cam la fel ca la suprafața unui cablu electric al unui aparat de bărbierit de fier sau electric. Deoarece fulgerul se mulțumește cu o asemenea mărime, înseamnă că influențele care îl controlează pot fi la fel de slabe. Este important să înțelegem în ce moment și în ce formă ar trebui să li se servească. Înainte este o lucrare de cercetare dificilă, dar interesantă.

Academician Vladimir FORTOV, Institutul comun de fizică la temperatură ridicată RAS, doctor în științe tehnice Eduard BAZELYAN, Institutul Energetic numit după GM Krzyzanowski.