Како се заштитити од муње

Муња је увек будила машту и жељу човека да упозна свет. Она је унела ватру на земљу, прикројивши коју, људи су постали моћнији. Ми још не рачунамо на освајање овог огромног природног феномена, али бисмо желели „миран суживот“. Уосталом, што савршенија опрема коју стварамо то је опаснији атмосферски електрицитет за њу. Једна од метода заштите је да прелиминарно, користећи посебан симулатор, процени рањивост индустријских постројења за струјно и електромагнетно поље муње.

Волећи олују почетком маја лако је за песнике и уметнике. Инжењер енергије, сигналиста или астронаут неће бити одушевљен од почетка громогласне сезоне: обећава превише проблема. У просеку, сваки квадратни километар Русије годишње има око три удара грома. Њихова електрична струја достиже 30 000 А, а за најмоћније пражњење може прећи 200 000 А. Температура у добро јонизованом плазма каналу чак и умереног муње може достићи 30 000 ° Ц, што је неколико пута више него у електричном луку заваривачке машине. И наравно, то не представља добро за многе техничке објекте. Пожари и експлозије из директних грома добро су познати стручњацима. Али обични људи очигледно преувеличавају ризик таквог догађаја.

Врх заставе телевизијске куле Останкино. Трагови повратка су видљиви.У стварности, „небески електрични упаљач“ није толико ефикасан. Замислите: покушавате да запалите ватру током урагана, када је због јаког ветра тешко запалити чак и суху сламу. Зрачни ток из канала стреле још је снажнији: његово пражњење ствара ударни талас, чији громогласни звук разбија и гаси пламен. Парадокс, али слаба муња је опасна од пожара, поготово ако струја од око 100 А пролази кроз њен канал десетина секунде (за векове у свету искричавања!), Последњи се не разликује много од лука, а електрични лук ће запалити све што може да изгори.

Међутим, за зграду нормалне висине ударци муње нису честа појава. Искуство и теорија показују: привлачи га приземна грађевина са удаљености која је близу његове три висине. Десетоспратна кула сакупљаће око 0,08 муње годишње, тј. просечно 1 погодак у 12,5 година рада. Викендица с поткровљем је око 25 пута мања: власник ће у просјеку морати "чекати" око 300 година.

Али немојмо да умањимо опасност. Заиста, ако муња погоди барем једну од 300-400 сеоских кућа, локални становници овај догађај вероватно неће сматрати безначајним. Али постоје објекти много веће дужине - рецимо, далеководи (НЕП). Њихова дужина може бити и већа од 100 км, њихова висина је 30 м. То значи да ће сваки од њих сакупљати ударце са десне и с леве стране, са тракама ширине 90 м. Укупна површина „влечења“ грома биће већа од 18 км2, а њихов број је 50 годишње. Наравно, челични носачи линије неће изгорети, жице се неће растопити. Муња удара око 30 пута годишње на врх заставе ТВ куле Останкино (Москва), али ништа страшно се не догађа. А да бисте схватили зашто су опасни за далеководе, морате да знате природу електричних, а не топлотних ефеката.

ГЛАВНА СНАГА СВЕТЛОСТИ

Када се удари у ослонац електричне мреже, струја се у земљу стеже кроз отпор тла, који је, по правилу, 10-30 Охма. У исто време Охмов закон чак и "средња" муња, са струјом од 30 000 А, ствара напон од 300-900 кВ, а моћан - неколико пута више. Дакле, долази до пренапона громова. Ако достигну ниво мегаволта, изолација далековода не може да издржи и пробије се. Долази до кратког споја. Линија је искључена. Још горе, када се канал муње пробија директно до жица.Тада је пренапонски рад величине веће него код оштећења на носачу. Борба против ове појаве и данас остаје тежак задатак за електроенергетску индустрију. Штавише, са унапређењем технологије, његова сложеност само расте.

Останкино ТВ кула деловала је као громобрана, пропустивши удар муње 200 метара испод врха. Да би задовољили брзо растуће енергетске потребе човечанства, модерне електране морају бити комбиноване у моћне системе. У Русији сада дјелује обједињени енергетски систем: сви његови погони дјелују међусобно повезани. Због тога, случајни неуспех чак и једног далековода или електране може довести до озбиљних последица сличних ономе што се догодило у Москви у мају 2005. Многе системске несреће изазване громовима су примећене у свету. Један од њих - у САД-у 1968., нанио је вишемилионску штету. Тада је громобранац искључио један далековод, а електроенергетски систем се није могао носити са енергетским дефицитом који је настао.

Није изненађујуће да стручњаци посвећују дужну пажњу заштити далековода од грома. Посебни метални каблови су обешени дуж читаве дужине надземних водова напоном 110 кВ и више, покушавајући да заштите жице од директног контакта одозго. Њихова изолација је максимална, отпорност на уземљење носача је смањена до крајње мере, а полуводички уређаји, попут оних који штите улазне кругове рачунара или висококвалитетних телевизора, користе се за даље ограничавање пренапона. Тачно, њихова је сличност само у принципу рада, али се напон рада за линеарне граничнике процењује у милионима волти - процените обим трошкова заштите од грома!

Људи се често питају да ли је изведиво дизајнирати апсолутно водоотпорну линију? Одговор је да. Али овде су неизбежна два нова питања: коме је то потребно и колико ће то коштати? Заиста, ако је немогуће оштетити поуздано заштићен далековод, могуће је, на примјер, формирати лажну наредбу за искључење линије или једноставно уништење кругова за аутоматизацију ниског напона, који су у модерном дизајну изграђени на микропроцесорској технологији. Радни напон чипова опада сваке године. Данас се израчунава у волтијским јединицама. Ту има места за муње! И нема потребе за директним штрајком, јер је у стању да делује даљински и одмах на великим површинама. Његово главно оружје је електромагнетно поље. Горе је споменуто о струји муње, мада су и струја и њена брзина раста важни за процену електромоторне силе магнетне индукције. У случају грома, последња може прелазити 2 • 1011 А / с. У било којем кругу с површином од 1 м2 на удаљености од 100 м од громобрана, таква струја ће индуцирати напон око двоструко већи него на излазима стамбене зграде. Не треба пуно маште да бисте замислили судбину микрострујних кругова дизајнираних за напон величине једног волта.

У светској пракси постоји много озбиљних несрећа због уништења управљачких кругова грома. Ова листа укључује оштећења на бродској опреми авиона и свемирских бродова, лажно гашење читавих „пакета“ високонапонских далековода и кварове опреме антенских мобилних комуникационих система. Нажалост, овде приметно место заузима „штета“ џепа обичних грађана због оштећења кућанских апарата, која све више пуни наше домове.

ПУТОВИ ЗАШТИТЕ

Навикли смо да се ослањамо на заштиту од муње. Сећате се оде великом научнику из КСВИИИ века, академику Михаилу Ломоносову о њиховом проналаску? Наш познати сународник одушевљен победом рекао је да је небеска ватра престала да буде опасна. Наравно, овај уређај на крову стамбене зграде неће дозволити муње да запале дрвени под или друге запаљиве грађевинске материјале. У погледу електромагнетних ефеката, он је немоћан. Нема разлике да ли струја муње тече у њеном каналу или кроз метални штап громобрана, ипак побуди магнетно поље и индукује опасан напон због магнетне индукције у унутрашњим електричним круговима. Да би се то ефикасно борило, за уклањање канала пражњења на удаљеним прилазима заштићеном објекту, потребно је громобрано, тј. постају веома високи, јер је индуковани напон обрнуто пропорционалан удаљености до струјног проводника.

Данас је стечено велико искуство у кориштењу таквих конструкција различитих висина.Међутим, статистика није баш пријатна. Зона заштите шипке од грома обично је представљена у облику конуса, чија је ос, али са врхом смештеним мало ниже од горњег краја. Обично 30-метарско „језгро“ пружа 99% поузданости заштите зграда ако се издиже око 6 метара изнад ње, а то није проблем. Али с порастом висине громобрана, удаљеност од његовог врха до „прекривеног“ објекта, минимум неопходан за задовољавајућу заштиту, брзо расте. За 200-метарску конструкцију истог степена поузданости, овај параметар већ прелази 60 м, а за конструкцију од 500 метара - 200 м.

Поменута ТВ кула Останкино такође игра сличну улогу: није у стању да се заштити, недостаје удара муње на удаљености од 200 м испод врха. Радијус заштитне зоне на нивоу тла за громобране такође се нагло повећава: за 30-метарску он је упоредив са његовом висином, за исти ТВ торањ - 1/5 његове висине.

Другим речима, не можемо се надати да ће громобрани традиционалног дизајна успети да пресрећу муње на удаљеним прилазима објекту, посебно ако овај заузима велику површину на земљи. То значи да се морамо сложити са стварном вероватноћом громобрана на територији електрана и подстаница, аеродрома, складишта течних и гасовитих горива и проширених антенских поља. Ширећи се тлом, струја грома делимично улази у бројне подземне комуникације савремених техничких постројења. По правилу постоје електрични кругови система за аутоматизацију, контролу и обраду информација - сами микроелектронски уређаји који су горе поменути. Узгред, рачунање струја у земљи је компликовано и у најједноставнијој формулацији. Потешкоће се погоршавају због снажних промена у отпорности већине тла, зависно од снаге килампере струје која се шири у њима, а која су карактеристична само за пражњење атмосферске струје. Охмов закон се не односи на прорачун кругова с таквим нелинеарним отпорима.

"Нелинеарности" тла додаје се вероватноћа формирања проширених канала искре у њему. Поправне посаде кабловских водова добро су упознате са таквом сликом. Бразда се протеже уз земљу с високог стабла на шумском рубу, као да од плуга или старог плуга и одсече непосредно изнад трага подземног телефонског кабла који је на овом месту оштећен - метални омотач је згужван, изолација језгара је уништена. Ефекат муње се показао. Ударила је у дрво и његова струја, која се ширила дуж коријена, створила је у земљи снажно електрично поље, формирала у њему плазма искру. У ствари, муња је наставила свој развој, и то не само кроз ваздух, већ и у земљи. И тако може проћи на десетине, а нарочито слабо водећа струјна тла (каменита или пермафрост) и стотине метара. Пробој према објекту не врши се на традиционалан начин - одозго, већ заобилазећи било какве громобране одоздо. Клизно пражњење по површини тла добро се репродукује у лабораторији. Све ове сложене и крајње нелинеарне појаве захтевају експериментално истраживање, моделирање.

Струја за генерисање пражњења може да се створи вештачким импулсним извором. Енергија се акумулира у банци кондензатора за око минут, а затим „пролијева“ у базен с тлом у десетак микросекунди. Такви капацитивни погони постоје у многим истраживачким центрима високог напона. Њихове димензије достижу десетине метара, маса - десетине тона. Не можете их испоручити на територију електричне подстанице или другог индустријског постројења како бисте у потпуности репродуковали услове за ширење струје грома. Ово је могуће само случајно, када се објекат налази уз високонапонски штанд - на пример, у отвореној инсталацији Сибирског истраживачког института за енергију, импулсни високонапонски генератор је постављен поред далековода 110 кВ. Али то је, наравно, изузетак.

Симулатор за муње

У ствари, ово не би требао бити јединствени експеримент, већ обична ситуација.Стручњаци су оштро потребни свеобухватној симулацији струје муње, јер је то једини начин да се добије поуздана слика о расподјели струје у подземним комуналним програмима, измери утицај електромагнетног поља на уређајима микропроцесорске технологије и утврди образац ширења клизних канала за искривање. Одговарајући тестови требало би да постану раширени и да се спроводе пре пуштања у погон сваке сваке фундаментално нове одговорне техничке установе, као што је то већ дуго учињено у ваздухопловству и астронаутици. Данас нема друге могућности него створити снажан, али мали и мобилни извор пулсних струја са параметрима струје муње. Његов прототип модел већ постоји и успешно је тестиран у трафостаници Донино (110 кВ) у септембру 2005. Сва опрема била је смештена у фабричкој приколици из серијске Волге.

Мобилни тестни комплекс заснован је на генератору који механичку енергију експлозије претвара у електричну. Овај поступак је опште познат: одвија се у било којој електричној машини, где механичка сила помера ротор, супротстављајући се снази његове интеракције са магнетним пољем статора. Темељна разлика је изузетно велика брзина ослобађања енергије током експлозије, која брзо убрзава метални клип (облогу) унутар завојнице. Она помера магнетно поље у микросекундама, обезбеђујући високонапонско узбуђење у трансформатору импулса. Након додатног појачања импулсним трансформатором, напон ствара струју у испитном објекту. Идеја овог уређаја припада нашем изванредном сународњаку, "оцу" водоничне бомбе, академику А.Д. Сахаров.

Експлозија у специјалној комори велике снаге уништава само завојницу дугу 0,5 м и унутрашњи унутрашњи облог. Преостали елементи генератора се користе више пута. Круг се може подесити тако да стопа раста и трајање генерисаног импулса одговарају сличним параметрима струје муње. Штавише, могуће га је „угурати“ у објекат велике дужине, на пример, у жицу између носача далековода, у уземљење модерне трафостанице или у трупац авионске линије.

Приликом испитивања узорка генератора прототипа, у комору је убачено само 250 г експлозива. Ово је довољно да формирају тренутни импулс са амплитудом до 20 000 А. Међутим, први пут нису посегнули за тако радикалним ефектом - струја је била вештачки ограничена. На почетку инсталације само је лагано искакање експлозивне камере. А затим су провјерени снимци дигиталних осцилоскопа показали: струјни импулс са датим параметрима успјешно је уведен у громобрански подстаница. Сензори су приметили пораст струје у различитим тачкама уземљења.

Сада је комплетан комплекс у процесу припреме. Биће прилагођен пуној скали симулације струје грома, а истовремено ће бити постављен у задњем делу серијског камиона. Експлозивна комора генератора дизајнирана је за рад са 2 кг експлозива. Постоји сваки разлог да верујемо да ће комплекс бити универзалан. Уз његову помоћ биће могуће тестирати не само електричну енергију, већ и друге велике објекте нове опреме на отпорност на ефекте струје и електромагнетног поља муње: нуклеарне електране, телекомуникациони уређаји, ракетни системи итд.

Желио бих да чланак завршим у главној напомени, посебно зато што за то постоје разлози. Пуштањем у погон лабораторија за тестирање са пуним радним временом омогућиће се објективно процењивање ефикасности најсавременије заштитне опреме. Међутим, и даље остаје одређено незадовољство. У ствари, особа поново следи вођење муње и приморана је да се помири са својом вољношћу, губећи тако много новца. Употреба средстава за заштиту од грома доводи до повећања величине и тежине предмета, трошкови оскудних материјала расту.Парадоксалне су ситуације сасвим стварне када величине заштитне опреме премашују величину заштићеног конструкцијског елемента. Инжењерски фолклор чува одговор познатог дизајнера авиона на предлог дизајнирања апсолутно поуздане летелице: овај посао се може обавити ако се купац помири са једином недостатком пројекта - летелица никада неће сићи ​​са земље. Нешто слично се данас догађа у заштити од муње. Уместо у офанзиви, стручњаци се држе кружне одбране. Да бисте изашли из зачараног круга, морате разумети механизам формирања путање грома и пронаћи средства за контролу овог процеса услед слабих спољних утицаја. Задатак је тежак, али далеко од безнадежног. Данас је јасно да муња која се креће из облака ка земљи никада не погађа земаљски објекат: с његовог врха према приближавајући се муњи расте свећарски канал, такозвани вођа на путу доласка. У зависности од висине предмета, протеже се на десетине метара, понекад и неколико стотина и сусреће се са муњом. Наравно, овај „датум“ се не догађа увек - муње могу пропустити.

Али то је сасвим очигледно: што се брже појави вођа, то ће он даље напредовати до стреле и, самим тим, веће су шансе да се сретну. Стога морате научити како да успорите канале искре из заштићених објеката и, обрнуто, да их стимулишу од громобранских проводника. Разлог за оптимизам инспиришу она веома слаба спољна електрична поља у којима се формирају муње. У окружењу с грмљавином, поље близу земље је око 100-200 В / цм - отприлике исто као и на површини електричног кабла пегле или електричног бријача. Пошто је муња задовољна таквом маленкошћу, то значи да утицаји који контролишу могу бити једнако слаби. Важно је само схватити у ком тренутку и у ком облику их треба служити. Пред вама је тежак, али занимљив истраживачки рад.

Академик Владимир ФОРТОВ, Заједнички институт за физику високих температура РАС, доктор техничких наука Едуард БАЗЕЛИАН, Институт за енергетику Г.М. Крзхизхановски.