Kā pasargāt sevi no zibens

Zibens vienmēr pamodināja cilvēka iztēli un vēlmi iepazīt pasauli. Viņa ienesa zemē uguni, pieradinot to, cilvēki kļuva varenāki. Pagaidām mēs nerēķināmies ar šīs milzīgās dabas parādības iekarošanu, bet mēs vēlētos “mierīgu līdzāspastāvēšanu”. Galu galā, jo pilnīgāku aprīkojumu mēs izveidojam, jo ​​bīstamāka atmosfēras elektrība tam ir. Viena no aizsardzības metodēm ir provizoriski, izmantojot īpašu simulatoru, novērtēt rūpniecības objektu neaizsargātību pret zibens pašreizējo un elektromagnētisko lauku.

Dzejniekiem un māksliniekiem ir viegli mīlēt vētru maija sākumā. Elektroinženieris, pārmijnieks vai astronauts nebūs sajūsmā no pērkona negaisa sezonas sākuma: viņš sola pārāk daudz nepatikšanas. Vidēji uz katru Krievijas kvadrātkilometru gadā notiek apmēram trīs zibens spērieni. Viņu elektriskā strāva sasniedz 30 000 A, un visspēcīgākajām izlādēm tā var pārsniegt 200 000 A. Temperatūra labi jonizētā plazmas kanālā ar pat mērenu zibens var sasniegt 30 000 ° C, kas ir vairākas reizes augstāka nekā metināšanas iekārtas elektriskajā lokā. Un tas, protams, neliecina par labu daudzām tehniskām iespējām. Ugunsgrēki un eksplozijas no tieša zibens ir labi zināmi speciālistiem. Bet parastie cilvēki skaidri pārspīlē šāda notikuma risku.

Ostankino televīzijas torņa karoga masta gals. Ir redzamas atkārtotas plūsmas pēdas.Patiesībā “debess elektriskais šķiltavas” nav tik efektīvs. Iedomājieties: jūs mēģināt kurināt uguni viesuļvētras laikā, kad spēcīgā vēja dēļ ir grūti iedegt pat sausus salmus. Gaisa plūsma no zibens kanāla ir vēl jaudīgāka: tās izlāde rada trieciena vilni, kura pērkona negaiss sabojājas un nodzēš liesmu. Paradokss, bet vājš zibens ir ugunsbīstams, it īpaši, ja caur tā kanālu sekundes desmitdaļas garumā plūst apmēram 100 A strāva (dzirksteles izlādēšanās pasaulē ir vecums!), Pēdējais daudz neatšķiras no loka, un elektriskā loka aizdegs visu, kas var sadedzināt.

Tomēr normāla augstuma ēkai zibens spērieni nav bieži. Pieredze un teorija rāda: to pievilina zemes struktūra no attāluma, kas ir tuvu trim augstumiem. Desmit stāvu tornis gadā savāc aptuveni 0,08 zibens, t.i. vidēji 1 trāpījums 12,5 darbības gados. Vasarnīca ar bēniņiem ir apmēram 25 reizes mazāka: vidēji īpašniekam būs “jāgaida” apmēram 300 gadus.

Bet nemazināsim briesmas. Patiešām, ja zibens spēris vismaz vienu no 300–400 ciemata mājām, maz ticams, ka vietējie iedzīvotāji šo notikumu uzskatīs par nenozīmīgu. Bet ir objekti, kas ir daudz garāki - teiksim, elektrolīnijas (NEP). Viņu garums var pārsniegt 100 km, to augstums ir 30 m. Tas nozīmē, ka katrs no viņiem savāc sitienus no labās un kreisās puses ar joslām 90 m platumā.Kopējais zibens “vilkšanas” laukums pārsniegs 18 km2, to skaits ir 50 gadā. Protams, līnijas tērauda balsti neizdegsies, vadi neizkausēsies. Apmēram 30 reizes gadā zibens trieciens notiek Ostankino TV torņa (Maskava) karoga masta galā, taču nekas briesmīgs nenotiek. Un, lai saprastu, kāpēc tie ir bīstami elektrolīnijām, jums jāzina elektrisko, nevis termisko efektu raksturs.

GALVENAIS APGAISMES SPĒKS

Ietriecoties elektriskās līnijas balstā, caur zemes pretestību, kas parasti ir 10–30 omi, zemē ieplūst strāva. Tajā pašā laikā Ohmas likums pat "vidējs" zibens ar strāvu 30 000 A rada spriegumu 300-900 kV un jaudīgu - vairākas reizes vairāk. Tātad ir zibens pārspriegums. Ja tie sasniedz megavoltu līmeni, elektropārvades līnijas izolācija neiztur un izlaužas cauri. Notiek īssavienojums. Līnija ir atvienota. Vēl sliktāk, ja zibens kanāls saplīst tieši pie vadiem.Tad pārspriegums ir par vienu pakāpi lielāks nekā ar atbalsta bojājumiem. Cīņa pret šo parādību mūsdienās joprojām ir grūts uzdevums elektroenerģijas nozarē. Turklāt, uzlabojot tehnoloģiju, tās sarežģītība tikai pieaug.

Ostankino TV tornis darbojās kā zibens stienis, nokavējot zibens spērienu 200 metrus zem virsotnes. Lai apmierinātu cilvēces strauji augošās enerģijas vajadzības, mūsdienu elektrostacijas jāapvieno spēcīgās sistēmās. Tagad Krievijā darbojas vienota enerģijas sistēma: visas tās iekārtas darbojas savstarpēji savienotas. Tāpēc nejauša vienas elektropārvades līnijas vai elektrostacijas kļūme var izraisīt nopietnas sekas, līdzīgas tam, kas notika Maskavā 2005. gada maijā. Pasaulē ir atzīmēts daudz sistēmu avāriju, ko izraisījis zibens. Viens no tiem - 1968. gadā ASV - radīja vairāku miljardu dolāru lielu kaitējumu. Tad zibens izlāde izslēdza vienu elektrolīniju, un energosistēma nespēja tikt galā ar radušos enerģijas deficītu.

Nav pārsteidzoši, ka speciālisti pievērš pienācīgu uzmanību elektrolīniju aizsardzībai no zibens. Īpaši metāla kabeļi tiek piekārti visā gaisvadu līniju garumā ar spriegumu 110 kV un vairāk, mēģinot aizsargāt vadus no tieša kontakta no augšas. To izolācija tiek maksimāli palielināta, balstu zemējuma pretestība tiek samazināta līdz maksimālajam līmenim, un, lai vēl vairāk ierobežotu pārspriegumus, tiek izmantotas pusvadītāju ierīces, piemēram, tādas, kas aizsargā datoru vai augstas kvalitātes televizoru ieejas ķēdes. Tiesa, to līdzība ir tikai darbības principā, bet lineāro ierobežotāju darba spriegums tiek novērtēts miljonos voltu - novērtējiet aizsardzības pret zibens izmaksu apmēru!

Cilvēki bieži jautā, vai ir iespējams izveidot absolūti zibensizturīgu līniju? Atbilde ir jā. Bet šeit neizbēgami ir divi jauni jautājumi: kam tas vajadzīgs un cik tas maksās? Patiešām, ja nav iespējams sabojāt droši aizsargātu elektropārvades līniju, tad, piemēram, ir iespējams sastādīt nepatiesu komandu, lai atvienotu līniju vai vienkārši iznīcinātu zemsprieguma automatizācijas shēmas, kuras mūsdienu dizainā ir veidotas uz mikroprocesoru tehnoloģijas. Mikroshēmu darba spriegums ar katru gadu samazinās. Mūsdienās to aprēķina voltos vienībās. Tur ir vieta, kur zibens! Un nav nepieciešams tiešs streiks, jo tas spēj rīkoties attālināti un nekavējoties lielās teritorijās. Tās galvenais ierocis ir elektromagnētiskais lauks. Iepriekš tika minēts par zibens strāvu, lai gan gan strāva, gan tās pieauguma ātrums ir svarīgi, lai novērtētu magnētiskās indukcijas elektromotora spēku. Zibens laikā pēdējais var pārsniegt 2 1011 A / s. Jebkurā shēmā ar platību 1 m2 100 m attālumā no zibens kanāla šāda strāva izraisīs apmēram divreiz lielāku spriegumu nekā dzīvojamās ēkas izejās. Nav nepieciešams daudz iztēles, lai iedomāties tādu mikroshēmu likteni, kas paredzētas viena volta spriegumam.

Pasaules praksē zibens vadības shēmu iznīcināšanas dēļ notiek daudz nopietnu negadījumu. Šajā sarakstā iekļauti bojājumi lidmašīnu un kosmisko kuģu borta iekārtām, viltus pilnīgu augstsprieguma elektrolīniju “pakešu” izslēgšana un antenu mobilo sakaru sistēmu aprīkojuma kļūme. Diemžēl pamanāmu vietu šeit ieņem vienkāršo pilsoņu kabatas “sabojāšana” par sadzīves tehnikas bojājumiem, kas aizvien vairāk aizpilda mūsu mājas.

AIZSARDZĪBAS VEIDI

Mēs esam pieraduši paļauties uz zibensaizsardzību. Atcerieties odi lielajam XVIII gadsimta zinātniekam akadēmiķim Mihailam Lomonosovam par viņu izgudrojumu? Mūsu slavenais tautietis bija priecīgs par uzvaru, sacīja, ka debesu uguns vairs nav bīstama. Protams, šī ierīce uz dzīvojamās ēkas jumta neļaus zibens izraisīt ugunsgrēku uz koka grīdas vai citiem degošiem celtniecības materiāliem. Attiecībā uz elektromagnētisko iedarbību viņš ir bezspēcīgs. Nav nozīmes tam, vai zibens strāva plūst tā kanālā vai caur zibens stieņa metāla stieni, tā tomēr ierosina magnētisko lauku un iekšējā elektriskajā ķēdē rada bīstamu spriegumu magnētiskās indukcijas dēļ. Lai to efektīvi apkarotu, ir nepieciešams zibensnovedējs, lai pārtvertu izlādes kanālu pie attālinātas pieejas aizsargājamajam objektam, t.i. kļūst ļoti augsts, jo inducētais spriegums ir apgriezti proporcionāls attālumam līdz strāvas vadītājam.

Mūsdienās ir gūta liela pieredze, izmantojot šādas dažāda augstuma struktūras.Tomēr statistika nav īpaši mierinoša. Stieņa zibensnovediena aizsargjosla parasti tiek parādīta konusa formā, kura ass tā ir, bet ar virsotni, kas atrodas nedaudz zemāk par tā augšējo galu. Parasti 30 metru “kodols” nodrošina ēku aizsardzības 99% uzticamību, ja tas paceļas apmēram 6 metrus virs tā. Lai to panāktu, nav problēmu. Bet, palielinoties zibens stieņa augstumam, strauji palielinās attālums no tā augšdaļas līdz "pārklātajam" objektam, kas ir minimālais nepieciešamais apmierinošai aizsardzībai. 200 metru struktūrai ar tādu pašu ticamības pakāpi šis parametrs jau pārsniedz 60 m, bet 500 metru struktūrai - 200 m.

Arī iepriekš minētais Ostankino TV tornis spēlē līdzīgu lomu: tas nespēj sevi pasargāt, tas iziet zibens spērienus 200 m attālumā no virsotnes. Strauji palielinās arī augstās zibensnovedēju aizsargjoslas rādiuss zemes līmenī: 30 metru augstumam tas ir salīdzināms ar tā augstumu, vienam un tam pašam TV tornim - 1/5 no tā augstuma.

Citiem vārdiem sakot, nevar cerēt, ka tradicionāla dizaina zibens stieņi spēs pārtvert zibens no attāluma pie objekta, it īpaši, ja objekts aizņem lielu platību zemes virsmā. Tas nozīmē, ka mums jārēķinās ar reālu zibens izlādes varbūtību elektrostaciju un apakšstaciju, lidlauku, šķidrā un gāzveida kurināmā noliktavās, paplašinātās antenas laukos. Izkliedējot zemē, zibens strāva daļēji nonāk daudzās mūsdienu tehnisko iespēju pazemes komunikācijās. Kā likums, pastāv automātikas, vadības un informācijas apstrādes sistēmu elektriskās ķēdes - pašas iepriekš minētās mikroelektroniskās ierīces. Starp citu, straumju aprēķināšana zemē ir sarežģīta pat visvienkāršākajā formulējumā. Grūtības saasina spēcīgu lielākās daļas augšņu pretestības izmaiņas atkarībā no tajās izplatīto kiloamperes straumju stipruma, kas ir raksturīgas tikai atmosfēras elektrības izlādei. Ohmas likums neattiecas uz tādu ķēžu aprēķināšanu, kurām ir šāda nelineāra pretestība.

Augsnes "nelinearitātei" tiek pievienota paplašinātu dzirksteles kanālu veidošanās varbūtība tajā. Kabeļu līniju remonta ekipāžas ir labi pazīstamas ar šādu attēlu. No augsta meža malā esoša koka meža malā stiepjas vaga, it kā no arkla vai veca arkla, un tas nokrīt tieši virs šajā vietā sabojātā pazemes telefona kabeļa sliežu ceļa - metāla apvalks ir saburzīts, serdeņu izolācija tiek iznīcināta. Tātad zibens efekts izpaudās. Viņa atsitās pret koku, un tā strāva, izplatoties gar saknēm, zemē izveidoja spēcīgu elektrisko lauku, veidoja tajā plazmas dzirksteles kanālu. Faktiski zibens turpināja savu attīstību, it kā, ne tikai caur gaisu, bet arī zemē. Tātad tas var iziet desmitiem, un sevišķi slikti vadošās straumēs (akmeņainās vai mūžsenās sala) un simtiem metru. Lūzums objektam netiek veikts tradicionālā veidā - no augšas, bet apejot visus zibensnovedienus no apakšas. Bīdāmās izlādes gar augsnes virsmu ir labi reproducētas laboratorijā. Visām šīm sarežģītajām un ļoti nelineārajām parādībām nepieciešami eksperimentāli pētījumi, modelēšana.

Izlādes ģenerēšanai strāvu var radīt mākslīgs impulsa avots. Enerģija kondensatoru bankā tiek uzkrāta apmēram minūti, un pēc tam duci mikrosekunžu laikā tā tiek izšļakstīta baseinā ar augsni. Šādi kapacitīvie diskdziņi ir daudzos augstsprieguma pētījumu centros. To izmēri sasniedz desmitiem metru, masa - desmitiem tonnu. Jūs tos nevarat nogādāt elektriskās apakšstacijas vai citas rūpniecības iestādes teritorijā, lai pilnībā atkārtotu zibens straumju izplatīšanās apstākļus. Tas ir iespējams tikai nejauši, kad objekts atrodas blakus augstsprieguma statīvam - piemēram, Sibīrijas Enerģētikas pētniecības institūta atklātā instalācijā blakus 110 kV elektropārvades līnijai tiek novietots augstsprieguma impulsa ģenerators. Bet tas, protams, ir izņēmums.

Zibens skrūvju simulators

Faktiski tam nevajadzētu būt unikālam eksperimentam, bet gan parastajai situācijai.Speciālistiem ļoti nepieciešama pilnīga zibens strāvas simulācija, jo tas ir vienīgais veids, kā iegūt ticamu priekšstatu par straumju sadalījumu pazemes komunālajos pakalpojumos, izmērīt elektromagnētiskā lauka ietekmi uz mikroprocesoru ierīcēm un noteikt bīdāmo dzirksteles kanālu izplatīšanās raksturu. Atbilstošajām pārbaudēm vajadzētu kļūt plaši izplatītām, un tās jāveic pirms katras pilnīgi jaunas atbildīgas tehniskas iekārtas nodošanas ekspluatācijā, kā tas jau sen ir darīts aviācijā un kosmosā. Mūsdienās nav citas iespējas, kā izveidot jaudīgu, bet maza izmēra un mobilo impulsa strāvas avotu ar zibens strāvas parametriem. Tā prototipa modelis jau pastāv, un tas tika veiksmīgi pārbaudīts Donino apakšstacijā (110 kV) 2005. gada septembrī. Viss aprīkojums tika novietots rūpnīcas piekabē no sērijas Volga.

Pārvietojamā testa kompleksa pamatā ir ģenerators, kas sprādziena mehānisko enerģiju pārvērš elektriskajā enerģijā. Šis process ir vispārzināms: tas notiek jebkurā elektriskajā mašīnā, kur mehāniskais spēks virza rotoru, neitralizējot tā mijiedarbības spēku ar statora magnētisko lauku. Būtiskā atšķirība ir ārkārtīgi augstais enerģijas izdalīšanās ātrums sprādziena laikā, kas ātri paātrina metāla virzuļa (starpliku) spoli iekšpusē. Tas izspiež magnētisko lauku mikrosekundēs, nodrošinot augstsprieguma ierosmi impulsa transformatorā. Pēc papildu pastiprināšanas ar impulsa transformatoru spriegums testa objektā rada strāvu. Šīs ierīces ideja pieder mūsu izcilajam tautietim, ūdeņraža bumbas "tēvam", akadēmiķim A.D. Saharovs.

Sprādziens īpašā augstas stiprības kamerā iznīcina tikai 0,5 m garu spoli un starpliku tajā. Atlikušie ģeneratora elementi tiek izmantoti atkārtoti. Ķēdi var noregulēt tā, lai ģenerētā impulsa pieauguma ātrums un ilgums atbilstu līdzīgiem zibens strāvas parametriem. Turklāt ir iespējams to “iebraukt” liela garuma objektā, piemēram, vadā starp elektropārvades līnijas balstiem, modernas apakšstacijas zemes cilpā vai lidmašīnas fāzē.

Pārbaudot ģeneratora paraugu, kamerā tika ievietoti tikai 250 g sprāgstvielu. Tas ir pietiekami, lai veidotu strāvas impulsu ar amplitūdu līdz 20 000 A. Tomēr pirmo reizi viņi neradīja tik radikālu efektu - strāva tika ierobežota mākslīgi. Instalācijas sākumā bija tikai neliela sprādziena kameras parādīšanās. Un pēc tam pārbaudīto digitālo osciloskopu ieraksti parādīja: apakšstacijas zibens vadītājā veiksmīgi tika ievadīts strāvas impulss ar dotajiem parametriem. Sensori atzīmēja jaudas pārspriegumu dažādos zemes cilpas punktos.

Tagad pilna laika komplekss ir sagatavošanās procesā. Tas tiks noregulēts uz zibens straumju pilna mēroga simulāciju un vienlaikus tiks ievietots sērijveida kravas automašīnas aizmugurē. Ģeneratora sprādzienbīstamā kamera ir paredzēta darbam ar 2 kg sprāgstvielu. Ir pamats uzskatīt, ka komplekss būs universāls. Ar tās palīdzību būs iespējams pārbaudīt ne tikai elektroenerģiju, bet arī citus jauna aprīkojuma lielizmēra objektus, lai izturētu to pret pašreizējo un zibens elektromagnētiskā lauka iedarbību: atomelektrostacijas, telekomunikāciju ierīces, raķešu sistēmas utt.

Es vēlētos pabeigt rakstu ar būtisku piezīmi, jo īpaši tāpēc, ka tam ir iemesli. Pilna laika pārbaudes objekta nodošana ekspluatācijā ļaus objektīvi novērtēt vismodernāko aizsardzības līdzekļu efektivitāti. Tomēr zināma neapmierinātība joprojām saglabājas. Faktiski persona atkal seko zibens vadībai un ir spiesta samierināties ar savu gribasspēku, vienlaikus zaudējot daudz naudas. Zibensaizsardzības līdzekļu izmantošana noved pie objekta izmēra un svara palielināšanās, pieaug ierobežoto materiālu izmaksas.Paradoksālas situācijas ir diezgan reālas, kad aizsardzības līdzekļu izmēri pārsniedz aizsargājamā konstrukcijas elementa izmērus. Inženierzinātņu folklorā tiek saglabāta pazīstama lidaparāta dizainera atbilde uz ierosinājumu noformēt absolūti uzticamu gaisa kuģi: šo darbu var veikt, ja klients samierinās ar vienīgo projekta trūkumu - lidmašīna nekad nenonāks no zemes. Kaut kas līdzīgs notiek arī zibensaizsardzībā. Uzbrukuma vietā eksperti rīko apļveida aizsardzību. Lai izietu no apburtā loka, jums ir jāsaprot zibens trajektorijas veidošanās mehānisms un jāatrod līdzekļi šī procesa vadīšanai vāju ārējo ietekmju dēļ. Uzdevums ir grūts, taču tālu no bezcerīga. Mūsdienās ir skaidrs, ka zibens, kas pārvietojas no mākoņa uz zemi, nekad nesit pret zemes objektu: no tā augšas uz tuvojošos zibens dzirksteles kanālu aug, tā sauktais gaidāmais vadītājs. Atkarībā no objekta augstuma tas stiepjas desmitiem metru, dažreiz pat vairākiem simtiem un sanāk zibens. Protams, šis “datums” ne vienmēr notiek - zibens var palaist garām.

Bet tas ir diezgan acīmredzami: jo ātrāk rodas gaidāmais līderis, jo tālāk viņš virzās uz zibeni un tāpēc jo lielākas iespējas viņiem satikties. Tāpēc jums jāiemācās "palēnināt" dzirksteļu kanālus no aizsargājamiem objektiem un, gluži pretēji, stimulēt no zibens vadītājiem. Optimisma iemesls ir ļoti vāji ārējie elektriskie lauki, kuros veidojas zibens. Pērkona negaisa laikā lauka tuvumā zeme ir aptuveni 100-200 V / cm - aptuveni tāda pati kā uz dzelzs vai elektriskā skuvekļa elektrības vada virsmas. Tā kā zibens ir apmierināts ar tik mazu daudzumu, tas nozīmē, ka to kontrolējošie efekti var būt tikpat vāji. Ir svarīgi tikai saprast, kurā brīdī un kādā veidā tie būtu jāizsniedz. Uz priekšu ir grūts, bet interesants pētniecības darbs.

Akadēmiķis Vladimirs FORTOV, RAS apvienotais augstas temperatūras fizikas institūts, tehnisko zinātņu doktors Eduards BAZELYAN, nosauktais Enerģētikas institūts G.M. Kržizhanovskis.