Comment se protéger de la foudre

La foudre a toujours éveillé l'imagination et le désir d'une personne de connaître le monde. Elle a amené le feu sur la terre, après l'avoir apprivoisée, les gens sont devenus plus puissants. Nous ne comptons pas encore sur la conquête de ce formidable phénomène naturel, mais souhaitons une «coexistence pacifique». Après tout, plus l'équipement que nous créons est parfait, plus l'électricité atmosphérique est dangereuse. L'une des méthodes de protection consiste à évaluer préalablement, à l'aide d'un simulateur spécial, la vulnérabilité des installations industrielles au champ actuel et électromagnétique de la foudre.

Aimer la tempête au début du mois de mai est facile pour les poètes et les artistes. L'ingénieur en puissance, signaleur ou astronaute ne sera pas ravi dès le début de la saison des orages: il promet trop de mal. En moyenne, chaque kilomètre carré de Russie représente annuellement environ trois coups de foudre. Leur courant électrique atteint 30 000 A, et pour les décharges les plus puissantes, il peut dépasser 200 000 A. La température dans un canal à plasma bien ionisé, même de foudre modérée, peut atteindre 30 000 ° C, ce qui est plusieurs fois plus élevé que dans l'arc électrique du poste à souder. Et bien sûr, cela n'augure rien de bon pour de nombreuses installations techniques. Les incendies et les explosions dues à la foudre directe sont bien connus des spécialistes. Mais les gens ordinaires exagèrent clairement le risque d'un tel événement.

La pointe du mât de la tour de télévision d'Ostankino. Des traces de refusion sont visibles. En réalité, le «briquet électrique céleste» n'est pas si efficace. Imaginez: vous essayez de faire un feu pendant un ouragan, alors qu'en raison du vent fort, il est difficile d'allumer même de la paille sèche. Le flux d'air du canal de foudre est encore plus puissant: sa décharge donne lieu à une onde de choc dont le grondement tonitruant brise et éteint la flamme. Un paradoxe, mais un faible éclair est un risque d'incendie, surtout si un courant d'environ 100 A traverse son canal pendant des dixièmes de seconde (pendant des siècles dans le monde des décharges d'étincelles!), Ce dernier n'est pas très différent d'un arc, et un arc électrique allumera tout ce qui peut brûler.

Cependant, pour un bâtiment de hauteur normale, les coups de foudre ne sont pas fréquents. L'expérience et la théorie le montrent: il est «attiré» vers une structure au sol à une distance proche de ses trois hauteurs. La tour de dix étages collectera environ 0,08 foudre par an, soit une moyenne de 1 hit en 12,5 ans de fonctionnement. Un chalet avec un grenier est environ 25 fois plus petit: en moyenne, le propriétaire devra «attendre» environ 300 ans.

Mais ne minimisons pas le danger. En effet, si la foudre frappe au moins une des 300 à 400 maisons de village, il est peu probable que les résidents locaux considèrent cet événement comme insignifiant. Mais il existe des objets beaucoup plus longs - disons, les lignes électriques (NEP). Leur longueur peut bien dépasser 100 km, leur hauteur est de 30 m. Cela signifie que chacun d'eux va collecter des coups de droite et de gauche, avec des bandes de 90 m de large. La superficie totale de la "foudre" de la foudre dépassera 18 km2, leur nombre est de 50 par an. Bien sûr, les supports en acier de la ligne ne brûleront pas, les fils ne fondront pas. La foudre frappe environ 30 fois par an à l'extrémité du mât de la tour de télévision Ostankino (Moscou), mais rien de terrible ne se produit. Et pour comprendre pourquoi ils sont dangereux pour les lignes électriques, vous devez connaître la nature des effets électriques et non thermiques.

LA PUISSANCE PRINCIPALE DE LA FOUDRE

Lorsqu'il est frappé dans le support de la ligne électrique, le courant circule dans le sol à travers la résistance de terre, qui, en règle générale, est de 10-30 Ohms. En même temps La loi d'Ohm même la foudre "moyenne", avec un courant de 30 000 A, crée une tension de 300-900 kV, et puissante - plusieurs fois plus. Il y a donc des surtensions orageuses. S'ils atteignent le niveau mégavolt, l'isolation de la ligne de transport d'énergie ne résiste pas et se brise. Un court-circuit se produit. La ligne est déconnectée. Pire encore, lorsque le canal de foudre se brise directement sur les fils.La surtension est alors d'un ordre de grandeur supérieur à celui de l'endommagement du support. La lutte contre ce phénomène reste aujourd'hui une tâche difficile pour l'industrie électrique. De plus, avec l'amélioration de la technologie, sa complexité ne fait qu'augmenter.

La tour de télévision d'Ostankino a agi comme un paratonnerre, ayant manqué un coup de foudre à 200 mètres sous le pic. Pour satisfaire les besoins énergétiques croissants de l'humanité, les centrales électriques modernes doivent être combinées en systèmes puissants. Un système énergétique unifié fonctionne désormais en Russie: toutes ses installations sont interconnectées. Par conséquent, la panne accidentelle d'une seule ligne de transport d'électricité ou d'une centrale électrique peut entraîner de graves conséquences similaires à ce qui s'est produit à Moscou en mai 2005. De nombreux accidents de système causés par la foudre ont été constatés dans le monde. L'un d'eux - aux États-Unis en 1968, a causé des dommages de plusieurs millions de dollars. Ensuite, une décharge de foudre a coupé une ligne électrique et le système électrique n'a pas pu faire face au déficit énergétique qui s'est produit.

Il n'est pas surprenant que les spécialistes accordent une attention particulière à la protection des lignes électriques contre la foudre. Sur toute la longueur des lignes aériennes avec une tension de 110 kV ou plus, des câbles métalliques spéciaux sont suspendus, essayant de protéger les fils du contact direct par le haut. Leur isolation est maximisée, la résistance de mise à la terre des supports est extrêmement réduite et des dispositifs semi-conducteurs, tels que ceux qui protègent les circuits d'entrée des ordinateurs ou des téléviseurs de haute qualité, sont utilisés pour limiter les surtensions. Certes, leur similitude n'est que dans le principe de fonctionnement, mais la tension de fonctionnement des limiteurs linéaires est estimée en millions de volts - évaluez l'ampleur du coût de la protection contre la foudre!

Les gens demandent souvent s'il est possible de concevoir une ligne absolument résistante à la foudre? La réponse est oui. Mais ici, deux nouvelles questions sont inévitables: qui en a besoin et combien cela coûtera-t-il? En effet, s'il est impossible d'endommager une ligne de transmission d'énergie protégée de manière fiable, il est possible, par exemple, de former une fausse commande pour déconnecter la ligne ou simplement détruire les circuits d'automatisation basse tension, qui dans la conception moderne sont construits sur la technologie des microprocesseurs. La tension de fonctionnement des puces diminue chaque année. Aujourd'hui, il est calculé en unités de volts. C'est là qu'il y a de la place pour la foudre! Et il n'y a pas besoin de grève directe, car il est capable d'agir à distance et immédiatement sur de grandes surfaces. Son arme principale est le champ électromagnétique. Il a été mentionné ci-dessus au sujet du courant de foudre, bien que le courant et son taux de croissance soient importants pour évaluer la force électromotrice de l'induction magnétique. En foudre, cette dernière peut dépasser 2 • 1011 A / s. Dans tout circuit d'une superficie de 1 m2 à une distance de 100 m du canal de foudre, un tel courant induira une tension environ deux fois plus élevée que dans les prises de courant d'un immeuble résidentiel. Il ne faut pas beaucoup d'imagination pour imaginer le sort de puces conçues pour une tension de l'ordre d'un volt.

Dans la pratique mondiale, il existe de nombreux accidents graves dus à la destruction des circuits de contrôle de la foudre. Cette liste comprend les dommages à l'équipement embarqué des avions de ligne et des engins spatiaux, les faux arrêts de «paquets» entiers de lignes électriques à haute tension et la défaillance de l'équipement des systèmes de communication mobile d'antenne. Malheureusement, une place notable ici est également occupée par les «dommages» aux citoyens ordinaires qui peuvent être endommagés par les appareils électroménagers, qui remplissent de plus en plus nos maisons.

MOYENS DE PROTECTION

Nous sommes habitués à compter sur la protection contre la foudre. Rappelez-vous l'ode au grand scientifique du XVIIIe siècle, l'académicien Mikhail Lomonosov sur leur invention? Notre célèbre compatriote s'est réjoui de la victoire, a déclaré que le feu céleste a cessé d'être dangereux. Bien sûr, cet appareil sur le toit d'un immeuble résidentiel ne permettra pas à la foudre de mettre le feu à un plancher en bois ou à d'autres matériaux de construction combustibles. En ce qui concerne les influences électromagnétiques, il est impuissant. Peu importe que le courant de foudre circule dans son canal ou à travers la tige métallique du paratonnerre, il excite néanmoins un champ magnétique et induit une tension dangereuse par induction magnétique dans les circuits électriques internes. Pour lutter efficacement contre cela, un paratonnerre est nécessaire pour intercepter le canal de décharge lors d'approches éloignées de l'objet protégé, c'est-à-dire devenir très élevé, car la tension induite est inversement proportionnelle à la distance au conducteur de courant.

Aujourd'hui, une grande expérience a été acquise dans l'utilisation de telles structures de différentes hauteurs.Cependant, les statistiques ne sont pas très réconfortantes. La zone de protection d'un paratonnerre se présente généralement sous la forme d'un cône dont il est l'axe, mais avec un sommet situé légèrement plus bas que son extrémité supérieure. Habituellement, un «noyau» de 30 mètres offre une fiabilité de 99% de la protection du bâtiment s'il s'élève à environ 6 mètres au-dessus de lui, ce qui n'est pas un problème. Mais avec l'augmentation de la hauteur du paratonnerre, la distance de son sommet à l'objet "couvert", le minimum nécessaire pour une protection satisfaisante, croît rapidement. Pour une structure de 200 mètres du même degré de fiabilité, ce paramètre dépasse déjà 60 m, et pour une structure de 500 mètres - 200 m.

La tour de télévision Ostankino susmentionnée joue également un rôle similaire: elle n'est pas en mesure de se protéger, elle manque des coups de foudre à une distance de 200 m sous le sommet. Le rayon de la zone de protection au niveau du sol pour les paratonnerres élevés augmente également fortement: pour celui de 30 mètres, il est comparable à sa hauteur, pour la même tour de télévision - 1/5 de sa hauteur.

En d'autres termes, on ne peut pas espérer que des paratonnerres de conception traditionnelle pourront intercepter la foudre à des approches éloignées de l'objet, surtout si ce dernier occupe une grande surface à la surface de la terre. Cela signifie que nous devons tenir compte de la probabilité réelle d'une décharge de foudre sur le territoire des centrales électriques et des sous-stations, des aérodromes, des entrepôts de combustibles liquides et gazeux et des champs d'antenne étendus. S'étendant dans le sol, le courant de foudre pénètre partiellement dans les nombreuses communications souterraines des installations techniques modernes. En règle générale, il existe des circuits électriques de systèmes d'automatisation, de contrôle et de traitement de l'information - les dispositifs très microélectroniques susmentionnés. Soit dit en passant, le calcul des courants dans la Terre est compliqué même dans la formulation la plus simple. Les difficultés sont exacerbées en raison de forts changements dans la résistance de la plupart des sols, en fonction de la force des courants kiloampères qui s'y propagent, qui ne sont que caractéristiques des décharges d'électricité atmosphérique. La loi d'Ohm ne s'applique pas au calcul de circuits avec de telles résistances non linéaires.

A la "non-linéarité" du sol s'ajoute la probabilité de formation de canaux d'étincelle étendus en son sein. Les équipes de réparation des lignes câblées connaissent bien une telle image. Un sillon s'étend le long du sol à partir d'un grand arbre à la lisière d'une forêt, comme s'il s'agissait d'une charrue ou d'une vieille charrue, et se brise juste au-dessus de la piste d'un câble téléphonique souterrain qui est endommagé à cet endroit - la gaine métallique est froissée, l'isolation des noyaux est détruite. L'effet de la foudre s'est donc manifesté. Elle a frappé un arbre, et son courant, se propageant le long des racines, a créé un fort champ électrique dans le sol, y a formé un canal d'étincelles de plasma. En fait, la foudre a poursuivi son développement, pour ainsi dire, non seulement dans les airs, mais dans le sol. Et donc il peut passer des dizaines, et surtout dans des sols à courants peu conducteurs (rocheux ou pergélisol) et des centaines de mètres. La percée vers l'objet n'est pas effectuée de manière traditionnelle - par le haut, mais en contournant les paratonnerres par le bas. Les écoulements glissants le long de la surface du sol sont bien reproduits en laboratoire. Tous ces phénomènes complexes et hautement non linéaires nécessitent une recherche expérimentale, une modélisation.

Le courant pour générer une décharge peut être généré par une source pulsée artificielle. L'énergie est accumulée dans la batterie de condensateurs pendant environ une minute, puis «déversée» dans la piscine avec de la terre en une douzaine de microsecondes. De tels variateurs capacitifs se trouvent dans de nombreux centres de recherche à haute tension. Leurs dimensions atteignent des dizaines de mètres, masse - des dizaines de tonnes. Ceux-ci ne peuvent être livrés sur le territoire d'une sous-station électrique ou autre installation industrielle afin de reproduire pleinement les conditions de propagation des courants de foudre. Cela n'est possible que par accident, lorsque l'objet est adjacent à un stand à haute tension - par exemple, dans une installation ouverte du Siberian Research Institute of Energy, un générateur haute tension pulsé est placé à côté d'une ligne de transmission de 110 kV. Mais cela, bien sûr, est une exception.

Lightning Bolt Simulator

En fait, cela ne devrait pas être une expérience unique, mais une situation ordinaire.Les spécialistes ont un besoin urgent d'une simulation à grande échelle du courant de foudre, car c'est le seul moyen d'obtenir une image fiable de la distribution des courants dans les services souterrains, de mesurer les effets du champ électromagnétique sur les appareils à microprocesseur et de déterminer le modèle de propagation des canaux d'étincelle coulissants. Les tests correspondants devraient se généraliser et être effectués avant la mise en service de chaque installation technique fondamentalement nouvelle, comme cela a été fait depuis longtemps dans l'aviation et l'astronautique. Aujourd'hui, il n'y a pas d'autre alternative que de créer une source puissante, mais de petite taille et mobile de courants d'impulsion avec des paramètres de courant de foudre. Son modèle prototype existe déjà et a été testé avec succès au poste de Donino (110 kV) en septembre 2005. Tout l'équipement était logé dans une remorque d'usine de la série Volga.

Le complexe de test mobile est basé sur un générateur qui convertit l'énergie mécanique d'une explosion en énergie électrique. Ce processus est généralement bien connu: il se déroule dans n'importe quelle machine électrique, où la force mécanique entraîne le rotor, contrecarrant la force de son interaction avec le champ magnétique du stator. La différence fondamentale est le taux extrêmement élevé de libération d'énergie pendant l'explosion, qui accélère rapidement le piston métallique (liner) à l'intérieur de la bobine. Il déplace le champ magnétique en microsecondes, fournissant une excitation haute tension dans un transformateur d'impulsions. Après amplification supplémentaire par un transformateur d'impulsions, la tension génère un courant dans l'objet à tester. L'idée de cet appareil appartient à notre remarquable compatriote, le "père" de la bombe à hydrogène, l'académicien A.D. Sakharov.

Une explosion dans une chambre spéciale à haute résistance ne détruit qu'une bobine de 0,5 m de long et une doublure à l'intérieur. Les éléments restants du générateur sont utilisés à plusieurs reprises. Le circuit peut être réglé de sorte que le taux de croissance et la durée de l'impulsion générée correspondent à des paramètres de courant de foudre similaires. De plus, il est possible de le «enfoncer» dans un objet de grande longueur, par exemple, dans un fil entre des supports de lignes de transport d'énergie, dans la boucle de masse d'une sous-station moderne ou dans le fuselage d'un avion de ligne.

Lors du test d'un échantillon de générateur prototype, seulement 250 g d'explosifs ont été placés dans la chambre. Cela suffit pour former une impulsion de courant d'une amplitude allant jusqu'à 20 000 A. Cependant, pour la première fois, ils n'ont pas opté pour un effet aussi radical - le courant a été limité artificiellement. Au début de l'installation, il n'y a eu qu'un léger éclatement de la caméra de décollage. Et puis les enregistrements des oscilloscopes numériques vérifiés ont ensuite montré: une impulsion de courant avec les paramètres donnés a été introduite avec succès dans le paratonnerre de la sous-station. Les capteurs ont noté une surtension à différents points de la boucle de masse.

Maintenant, le complexe à temps plein est en cours de préparation. Il sera réglé sur une simulation à grande échelle des courants de foudre et en même temps sera placé à l'arrière d'un camion de série. La chambre explosive du générateur est conçue pour fonctionner avec 2 kg d'explosifs. Il y a tout lieu de croire que le complexe sera universel. Avec son aide, il sera possible de tester non seulement l'énergie électrique, mais aussi d'autres objets de grande taille de nouveaux équipements pour la résistance aux effets du champ électrique et électromagnétique de la foudre: centrales nucléaires, appareils de télécommunications, systèmes de missiles, etc.

Je voudrais terminer l'article sur une note majeure, d'autant plus qu'il y a des raisons à cela. La mise en service d'une installation d'essai à temps plein permettra d'évaluer objectivement l'efficacité des équipements de protection les plus avancés. Cependant, une certaine insatisfaction persiste. En fait, la personne suit à nouveau l'exemple de la foudre et est obligée de supporter sa volonté, tout en perdant beaucoup d'argent. L'utilisation de moyens de protection contre la foudre entraîne une augmentation de la taille et du poids de l'objet, les coûts des matériaux rares augmentent.Les situations paradoxales sont bien réelles lorsque les dimensions des équipements de protection dépassent celles de l'élément structurel protégé. Engineering folklore stocke la réponse d'un concepteur d'avions bien connu à la proposition de concevoir un avion absolument fiable: ce travail peut être fait si le client se réconcilie avec le seul inconvénient du projet - l'avion ne décollera jamais. Aujourd'hui, quelque chose de similaire se produit dans la protection contre la foudre. Au lieu d'une offensive, les experts tiennent une défense circulaire. Pour sortir du cercle vicieux, vous devez comprendre le mécanisme de formation de la trajectoire de la foudre et trouver des moyens de contrôler ce processus en raison de faibles influences externes. La tâche est difficile, mais loin d'être désespérée. Aujourd'hui, il est clair que la foudre passant d'un nuage à la terre ne frappe jamais un objet au sol: de son sommet vers un éclair approchant, un canal d'étincelle se développe, le soi-disant leader venant en sens inverse. Selon la hauteur de l'objet, il s'étend sur des dizaines de mètres, parfois plusieurs centaines et rencontre la foudre. Bien sûr, cette «date» ne se produit pas toujours - la foudre peut manquer.

Mais c'est assez évident: plus tôt le leader qui se lève se lève, plus il avance vers la foudre et, par conséquent, plus il a de chances de se rencontrer. Par conséquent, vous devez apprendre à "ralentir" les canaux d'étincelle des objets protégés et, inversement, à stimuler les paratonnerres. La raison de l'optimisme est inspirée par ces champs électriques externes très faibles dans lesquels la foudre se forme. Dans les orages, un champ près de la terre est d'environ 100-200 V / cm - à peu près le même qu'à la surface d'un cordon électrique de fer ou de rasoir électrique. Étant donné que la foudre se contente d'une si petite quantité, cela signifie que les effets qui la contrôlent peuvent être tout aussi faibles. Il est seulement important de comprendre à quel moment et sous quelle forme ils doivent être servis. À venir est un travail de recherche difficile mais intéressant.

Académicien Vladimir FORTOV, Institut mixte de physique des hautes températures RAS, Docteur en sciences techniques Eduard BAZELYAN, Energy Institute nommé d'après G.M. Krzhizhanovsky.