Jak se chránit před bleskem

Blesk vždy probudil představivost a touhu člověka poznat svět. Přinesla oheň na Zemi a po zkrocení, lidé se stali silnějšími. Zatím nepočítáme s dobýváním tohoto impozantního přírodního fenoménu, ale rádi bychom „mírové soužití“. Koneckonců, čím dokonalejší zařízení vytváříme, tím nebezpečnější je atmosférická elektřina. Jednou z metod ochrany je předběžné, pomocí speciálního simulátoru, posoudit zranitelnost průmyslových zařízení pro současné a elektromagnetické pole blesku.

Milovat bouři na začátku května je pro básníky a umělce snadné. Energetický inženýr, signalizátor nebo astronaut nebude mít radost od začátku bouřkové sezóny: slibuje příliš mnoho problémů. V průměru činí každý čtvereční kilometr Ruska ročně zhruba tři údery blesku. Jejich elektrický proud dosahuje 30 000 A a pro nejvýkonnější výboje může přesáhnout 200 000 A. Teplota v dobře ionizovaném plazmovém kanálu i při mírném blesku může dosáhnout 30 000 ° C, což je několikrát vyšší než v elektrickém oblouku svařovacího stroje. A to samozřejmě pro mnoho technických zařízení není dobré. Požáry a výbuchy přímého blesku jsou odborníkům dobře známy. Ale obyčejní lidé jasně přehánějí riziko takové události.

Špička stožáru televizní věže Ostankino. Jsou vidět stopy zpětného toku, ve skutečnosti „nebeský elektrický zapalovač“ není tak účinný. Představte si: Pokoušíte se udělat oheň během hurikánu, když kvůli silnému větru je obtížné zapálit i suchou slámu. Proud vzduchu z bleskového kanálu je ještě silnější: jeho výboj způsobuje rázovou vlnu, jejíž bouřlivý rachot rozbije a zhasne plamen. Paradoxem, ale slabým bleskem, je nebezpečí požáru, zvláště pokud proudem asi 100 A protéká jeho kanálem po desetiny sekundy (pro věky ve světě jiskrových výbojů!), Ten se příliš neliší od elektrického oblouku a elektrický oblouk zapálí vše, co může hořet.

U budovy normální výšky však údery blesku nejsou častým jevem. Zkušenosti a teorie ukazují: je „přitahováno“ k pozemní struktuře z dálky blízko jejích tří výšek. Desetipodlažní věž bude sbírat asi 0,08 blesků ročně, tj. průměrně 1 zásah za 12,5 let provozu. Chata s podkrovím je asi 25krát menší: v průměru bude muset majitel „čekat“ asi 300 let.

Nebudeme však snižovat nebezpečí. Pokud blesk zasáhne alespoň jeden z 300-400 vesnických domů, je nepravděpodobné, že by místní obyvatelé považovali tuto událost za bezvýznamnou. Existují však objekty mnohem větší délky - řekněme, elektrické vedení (NEP). Jejich délka může značně přesáhnout 100 km, jejich výška je 30 m. To znamená, že každý z nich bude shromažďovat údery zprava a zleva, se pruhy širokými 90 m. Celková plocha „tahání“ blesku přesáhne 18 km2, jejich počet je 50 za rok. Ocelové podpěry vedení samozřejmě nepálí, dráty se neroztaví. Úder blesku asi 30krát ročně na špičku stožáru televizní věže Ostankino (Moskva), ale nic strašného se neděje. A abyste pochopili, proč jsou nebezpečné pro elektrické vedení, musíte znát povahu elektrických, nikoli tepelných, efektů.

HLAVNÍ SÍLA OSVĚTLENÍ

Když udeří na podporu elektrického vedení, proud teče do země přes zemní odpor, který je zpravidla 10-30 Ohmů. Současně Ohmův zákon dokonce i „střední“ blesk s proudem 30 000 A vytváří napětí 300 až 900 kV a výkonné - několikrát více. Takže dochází k přepětí blesku. Pokud dosáhnou úrovně megavoltů, izolace elektrického vedení se nevstane a prorazí se. Dochází ke zkratu. Linka je odpojena. Ještě horší je, když se kanál blesků rozbije přímo na dráty.Pak je přepětí o řád vyšší než při poškození podpěry. Boj proti tomuto jevu je dnes pro energetický průmysl obtížným úkolem. Se zlepšením technologie navíc její složitost pouze roste.

Televizní věž Ostankino fungovala jako hromosvod, protože zmeškal úder blesku 200 metrů pod vrcholem. Aby byly uspokojeny rychle rostoucí energetické potřeby lidstva, musí být moderní elektrárny sloučeny do výkonných systémů. V Rusku nyní funguje jednotný energetický systém: všechna jeho zařízení fungují vzájemně propojená. Proto může náhodné selhání i jedné přenosové linky nebo elektrárny vést k závažným důsledkům podobným tomu, co se stalo v Moskvě v květnu 2005. Ve světě bylo zaznamenáno mnoho systémových nehod způsobených bleskem. Jeden z nich - v USA v roce 1968 způsobil škody v hodnotě několika milionů dolarů. Pak bleskový výboj vypnul jedno elektrické vedení a energetický systém se nedokázal vyrovnat s energetickým deficitem, který vznikl.

Není divu, že odborníci věnují náležitou pozornost ochraně elektrického vedení před bleskem. Po celé délce nadzemních vedení s napětím 110 kV nebo více jsou zavěšeny speciální kovové kabely, které se snaží chránit dráty před přímým kontaktem shora. Jejich izolace je maximalizována, zemnící odpor podpěr je extrémně snížen a polovodičová zařízení, jako například ta, která chrání vstupní obvody počítačů nebo vysoce kvalitních televizorů, se používají k omezení přepětí. Je pravda, že jejich podobnost je pouze v principu provozu, ale provozní napětí lineárních omezovačů se odhaduje na miliony voltů - vyhodnoťte rozsah nákladů na ochranu před bleskem!

Lidé se často ptají, zda je možné vytvořit linii absolutně odolnou proti blesku? Odpověď zní ano. Zde jsou však nevyhnutelné dvě nové otázky: kdo to potřebuje a kolik to bude stát? Je-li nemožné poškodit spolehlivě chráněné vedení přenosu energie, pak je například možné vytvořit falešný příkaz k odpojení vedení nebo jednoduše zničit nízkonapěťové automatizační obvody, které jsou v moderním designu postaveny na mikroprocesorové technologii. Provozní napětí čipů se každý rok snižuje. Dnes se počítá v jednotkách voltů. Tam je prostor pro blesky! A není třeba přímého stávky, protože je schopen jednat vzdáleně a okamžitě na velkých plochách. Jeho hlavní zbraní je elektromagnetické pole. Výše bylo zmíněno o bleskovém proudu, i když jak proud, tak i jeho rychlost růstu jsou důležité pro posouzení elektromotorické síly magnetické indukce. Při blesku může tato rychlost překročit 2 • 1011 A / s. V jakémkoli obvodu o ploše 1 m2 ve vzdálenosti 100 m od kanálu blesku takový proud vyvolá napětí asi dvakrát vyšší než ve vývodech obytné budovy. Představit si osud mikročipů navržených pro napětí řádově jeden volt nepředstavuje mnoho představivosti.

Ve světové praxi existuje mnoho vážných nehod v důsledku ničení řídicích obvodů blesku. Tento seznam zahrnuje poškození palubního vybavení letadel a kosmických lodí, chybné odstavení celých „balíčků“ vedení vysokého napětí a selhání vybavení anténních mobilních komunikačních systémů. Pozoruhodné místo zde bohužel zaujímá také „škoda“ běžných občanů, kterou mohou poškodit domácí spotřebiče, která stále více zaplňuje naše domovy.

ZPŮSOBY OCHRANY

Jsme zvyklí spoléhat na ochranu před bleskem. Vzpomínáte na odu velkého vědce XVIII. Století, akademika Michaile Lomonosova na jejich vynález? Náš slavný krajan byl potěšen vítězstvím a řekl, že nebeský oheň přestal být nebezpečný. Toto zařízení na střeše bytového domu samozřejmě neumožní bleskům zapálit dřevěnou podlahu nebo jiné hořlavé stavební materiály. S ohledem na elektromagnetické efekty je bezmocný. Nezáleží na tom, zda bleskový proud protéká ve svém kanálu nebo kovovou tyčí bleskové tyče, přesto excituje magnetické pole a indukuje nebezpečné napětí v důsledku magnetické indukce ve vnitřních elektrických obvodech. K účinnému boji proti tomuto je zapotřebí bleskozvod k zachycení vypouštěcího kanálu při vzdálených přístupech k chráněnému objektu, tj. velmi vysoké, protože indukované napětí je nepřímo úměrné vzdálenosti k vodiči proudu.

S používáním takových struktur v různých výškách se dnes získaly velké zkušenosti.Statistiky však nejsou velmi uklidňující. Ochranné pásmo tyčového blesku je obvykle vytvořeno ve formě kužele, jehož osa je, ale s vrcholem umístěným mírně níže než jeho horní konec. Obvykle 30-metrové „jádro“ poskytuje 99% spolehlivost ochrany budovy, pokud stoupá asi 6 metrů nad ní. To není problém. Ale s rostoucí výškou hromosvodu blesku, vzdálenost od jeho vrcholu k “krytému” objektu, minimum nezbytné pro uspokojivou ochranu, rychle roste. U struktury 200 metrů se stejným stupněm spolehlivosti tento parametr již přesahuje 60 ma u struktury 500 metrů - 200 m.

Podobnou roli hraje i výše uvedená televizní věž Ostankino: není schopna se sama chránit, chybí údery blesku ve vzdálenosti 200 m pod vrcholem. Poloměr ochranného pásma na úrovni terénu pro vysoké hromosvody se také prudce zvyšuje: pro 30 metrů je srovnatelný s jeho výškou, pro stejnou televizní věž - 1/5 jeho výšky.

Jinými slovy, nelze doufat, že hromosvody tradičního designu budou schopny zachytit blesky při vzdálených přístupech k objektu, zejména pokud tento zabírá velkou plochu na povrchu Země. To znamená, že musíme počítat se skutečnou pravděpodobností bleskového výboje na území elektráren a rozvoden, letišť, skladů kapalných a plynných paliv a rozšířených anténních polí. Bleskový proud se šíří do země a vstupuje do četných podzemních komunikací moderních technických zařízení. Zpravidla existují elektrické obvody systémů automatizace, řízení a zpracování informací - výše uvedená mikroelektronická zařízení. Mimochodem, výpočet proudů v zemi je komplikovaný i v nejjednodušší formulaci. Obtíže se zhoršují v důsledku výrazných změn v odporu většiny půd v závislosti na síle kiloampérových proudů, které se v nich šíří, které jsou charakteristické pouze pro atmosférické výboje. Ohmův zákon se nevztahuje na výpočet obvodů s takovými nelineárními odpory.

K „nelinearitě“ půdy se přidává pravděpodobnost vytvoření rozšířených jiskrových kanálů v ní. Opravárenské posádky kabelových vedení jsou s takovým obrázkem dobře obeznámeny. Brázda se táhne podél země od vysokého stromu na okraji lesa, jako by od pluhu nebo starého pluhu, a odlomí se těsně nad kolejí podzemního telefonního kabelu, který je v tomto místě poškozen - kovový plášť je zmačkaný, izolace jader je zničena. Takže se objevil efekt blesku. Udeřila strom a jeho proud, šířící se podél kořenů, vytvořil v zemi silné elektrické pole, vytvořil v něm plazmový jiskřivý kanál. Ve skutečnosti blesk pokračoval ve svém vývoji, jak to bylo nejen vzduchem, ale také v zemi. A tak může projít desítky a zejména ve špatně vodivých půdách (skalnatých nebo permafrostových) a stovkách metrů. Průlom k objektu se neprovádí tradičním způsobem - shora, ale obchází všechny hromosvody zdola. Klouzavé výboje podél povrchu půdy jsou v laboratoři dobře reprodukovány. Všechny tyto komplexní a vysoce nelineární jevy vyžadují experimentální výzkum, modelování.

Proud pro generování výboje může být generován umělým pulzním zdrojem. Energie se hromadí v kondenzátorové bance po dobu asi minuty, a pak se „rozlije“ do bazénu půdou za tucet mikrosekund. Takové kapacitní pohony jsou v mnoha výzkumných střediscích vysokého napětí. Jejich rozměry dosahují desítek metrů, hmotností - desítek tun. Nemůžete je dopravit na území elektrické rozvodny nebo jiného průmyslového zařízení, abyste plně reprodukovali podmínky šíření bleskových proudů. To je možné pouze náhodou, když objekt sousedí s vysokonapěťovým stojanem - například v otevřené instalaci Sibiřského výzkumného ústavu energetiky je vedle přenosového vedení 110 kV umístěn pulzní vysokonapěťový generátor. Ale to je samozřejmě výjimka.

Simulátor blesku

Ve skutečnosti by to neměl být jedinečný experiment, ale běžná situace.Specialisté potřebují úplnou simulaci bleskového proudu, protože to je jediný způsob, jak získat spolehlivý obraz o distribuci proudů v podzemních rozvodných sítích, měřit účinky elektromagnetického pole na mikroprocesorová zařízení a určit povahu šíření posuvných jiskrových kanálů. Odpovídající zkoušky by se měly rozšířit a měly by být provedeny před uvedením každého zásadně nového odpovědného technického zařízení do provozu, jak tomu bylo v letectví a astronautice. Dnes neexistuje žádná jiná alternativa, než vytvořit silný, ale malý a mobilní zdroj pulsních proudů s parametry proudového blesku. Jeho prototypový model již existuje a byl úspěšně vyzkoušen v rozvodně Donino (110 kV) v září 2005. Veškerá zařízení byla umístěna v továrním přívěsu ze sériového Volhy.

Mobilní zkušební komplex je založen na generátoru, který přeměňuje mechanickou energii výbuchu na elektrickou energii. Tento proces je obecně dobře známý: probíhá v každém elektrickém stroji, kde mechanická síla pohání rotor, působí proti síle jeho interakce s magnetickým polem statoru. Zásadním rozdílem je extrémně vysoká rychlost uvolňování energie během exploze, která rychle zrychluje kovový píst (vložku) uvnitř cívky. Nahrazuje magnetické pole v mikrosekundách a poskytuje vysokonapěťové buzení v pulzním transformátoru. Po dodatečném zesílení pulzním transformátorem generuje napětí v testovaném objektu proud. Myšlenka tohoto zařízení patří našemu vynikajícímu krajanovi, „otci“ vodíkové bomby, akademikovi A.D. Sakharov.

Výbuch ve speciální vysokopevnostní komoře zničí pouze 0,5 m dlouhou cívku a vložku uvnitř. Zbývající prvky generátoru se používají opakovaně. Obvod může být nastaven tak, aby rychlost růstu a trvání generovaného impulsu odpovídaly podobným parametrům bleskového proudu. Kromě toho je možné „vjet“ do objektu velké délky, například do drátu mezi podpěrami vedení přenosu energie, do zemní smyčky moderní rozvodny nebo do trupu letadla.

Při testování vzorku prototypu generátoru bylo do komory vloženo pouze 250 g výbušnin. To stačí k vytvoření proudového impulsu s amplitudou až 20 000 A. Poprvé však nešlo o takový radikální efekt - proud byl uměle omezen. Na začátku instalace došlo pouze k lehkému prasknutí bleskové kamery. A pak se zkontrolovaly záznamy digitálních osciloskopů: do bleskového vodiče rozvodny byl úspěšně zaveden aktuální puls s danými parametry. Senzory zaznamenaly nárůst proudu v různých bodech zemní smyčky.

Nyní je na plný úvazek komplex v procesu přípravy. Bude naladěn na plnohodnotnou simulaci bleskových proudů a zároveň bude umístěn do zadní části sériového nákladního vozidla. Výbušná komora generátoru je navržena pro práci se 2 kg výbušnin. Existuje každý důvod se domnívat, že komplex bude univerzální. S ním bude možné testovat nejen elektrickou energii, ale i další velké objekty nové technologie na odolnost vůči účinkům proudového a elektromagnetického pole blesku: jaderné elektrárny, telekomunikační zařízení, raketové systémy atd.

Rád bych dokončil článek na hlavní poznámku, zejména proto, že existují důvody. Uvedení zkušebního zařízení na plný úvazek umožní objektivní vyhodnocení účinnosti nejmodernějších ochranných zařízení. Určitá nespokojenost však stále přetrvává. Ve skutečnosti se tato osoba opět vydává za vedení blesku a je nucena se smířit se svou vůlí a přitom ztratit spoustu peněz. Použití prostředků na ochranu před bleskem vede ke zvýšení velikosti a hmotnosti předmětu, náklady na vzácné materiály rostou.Paradoxní situace je zcela reálná, pokud velikost ochranných prostředků přesahuje velikost chráněného konstrukčního prvku. Strojírenský folklór ukládá odezvu známého konstruktéra letadel na návrh na vytvoření absolutně spolehlivého letadla: tuto práci lze provést, pokud zákazník souhlasí s jedinou nevýhodou projektu - letadlo nikdy nevyjde ze země. V současné době se v ochraně před bleskem děje něco podobného. Namísto útoku drží odborníci kruhovou obranu. Chcete-li vypuknout začarovaný kruh, musíte pochopit mechanismus tvorby trajektorie blesku a najít prostředky pro řízení tohoto procesu kvůli slabým vnějším vlivům. Úkol je obtížný, ale zdaleka beznadějný. Dnes je jasné, že blesk pohybující se z oblaku na Zemi nikdy nenarazí na pozemní objekt: od jeho vrcholu směrem k blížícímu se blesku se rozrůstá jiskřiště, tzv. Nadcházející vůdce. V závislosti na výšce objektu se táhne na desítky metrů, někdy i několik set a setkává se s blesky. Toto „datum“ se samozřejmě nestane vždy - blesk může chybět.

Je to však zcela zřejmé: čím dříve se nadcházející vůdce objeví, tím více se postoupí k blesku, a tím větší je šance na setkání. Proto se musíte naučit, jak „zpomalit“ jiskrové kanály z chráněných objektů a naopak stimulovat od hromosvodů. Důvod optimismu je inspirován těmi velmi slabými vnějšími elektrickými poli, v nichž se tvoří blesky. V bouřkách je pole blízko Země přibližně 100-200 V / cm - přibližně stejné jako na povrchu elektrického kabelu ze železa nebo elektrického holicího strojku. Jelikož je blesk spokojen s takovou maličkostí, znamená to, že vlivy, které jej ovládají, mohou být stejně slabé. Je pouze důležité pochopit, v jakém okamžiku a v jaké formě by jim měly být doručeny. Před námi je obtížná, ale zajímavá výzkumná práce.

Akademik Vladimir FORTOV, Společný institut pro fyziku vysokých teplot RAS, doktor technických věd Eduard BAZELYAN, energetický ústav pojmenovaný po G.M. Krzhizhanovsky.