Как да се предпазите от мълнии

Светкавиците винаги събуждаха въображението и желанието на човек да познава света. Тя донесе огън на земята, опитомила кой, хората станаха по-могъщи. Все още не разчитаме на завладяването на този страхотен природен феномен, но бихме искали „мирно съвместно съществуване“. В крайна сметка, колкото по-съвършено е оборудването, което създаваме, толкова по-опасно е атмосферното електричество за него. Един от методите за защита е предварително, с помощта на специален симулатор, да се оцени уязвимостта на индустриалните съоръжения за текущото и електромагнитното поле на мълнията.

Обичането на бурята в началото на май е лесно за поети и художници. Енергийният инженер, сигнализатор или астронавт няма да се зарадва от началото на сезона на гръмотевичните бури: той обещава твърде много проблеми. Средно на всеки квадратен километър Русия годишно причинява около три удара от мълния. Техният електрически ток достига 30 000 A, а за най-мощните разряди може да надвиши 200 000 A. Температурата в добре йонизиран плазмен канал с дори умерена светкавица може да достигне 30 000 ° C, което е няколко пъти по-високо, отколкото в електрическата дъга на заваръчната машина. И разбира се, това не предвещава добре за много технически съоръжения. Пожарите и експлозиите от пряка светкавица са добре познати на специалистите. Но обикновените хора очевидно преувеличават риска от подобно събитие.

Върхът на флагштока на телевизионната кула в Останкино. Следи от преливане са видими.В действителност „небесната електрическа запалка“ не е толкова ефективна. Представете си: опитвате се да направите пожар по време на ураган, когато поради силния вятър е трудно да запалите дори суха слама. Въздушният поток от канала на мълнията е още по-мощен: неговото изхвърляне поражда ударна вълна, чийто гръмотевичен тътен разкъсва и гаси пламъка. Парадокс, но слаба светкавица е опасност от пожар, особено ако през канала му тече ток от около 100 A за десети от секундата (за векове в света на искрата!), Последният не се различава много от дъга и електрическа дъга ще запали всичко, което може да изгори.

За сградата с нормална височина обаче ударите на мълнии не са често срещано явление. Опитът и теорията показват: тя е „привлечена“ от наземна структура от разстояние, близко до трите й височини. Десететажната кула ще събира около 0,08 мълния годишно, т.е. средно 1 удар за 12,5 години експлоатация. Вила с таванско помещение е около 25 пъти по-малка: средно собственикът ще трябва да "чака" около 300 години.

Но нека не омаловажаваме опасността. Всъщност, ако мълния удари поне една от 300-400 селски къщи, местните жители едва ли ще смятат това събитие за незначително. Но има обекти с много по-голяма дължина - да речем, електропроводи (NEP). Дължината им може да надвишава 100 км, височината им е 30 м. Това означава, че всеки от тях ще събира удари отдясно и отляво, с ивици с широчина 90 м. Общата площ на „дърпането“ на мълния ще надвиши 18 км2, броят им е 50 на година. Разбира се, стоманените опори на линията няма да изгорят, проводниците няма да се стопят. Светкавица удря около 30 пъти в годината на върха на флагштока на телевизионната кула Останкино (Москва), но нищо страшно не се случва. И за да разберете защо те са опасни за електропроводи, трябва да знаете естеството на електрическите, а не топлинните ефекти.

ОСНОВНАТА СИЛА НА ОСВЕТЛЕНИЕТО

Когато се удари в опората на електрическата линия, токът се влива в земята чрез съпротивлението на земята, което по правило е 10-30 ома. В същото време Законът на Ом дори "средната" светкавица с ток от 30 000 А създава напрежение 300-900 kV, а мощно - няколко пъти повече. Така че има гръмотевични пренапрежения. Ако достигнат нивото на мегаволта, изолацията на електропровода не се изправя и пробива. Възниква късо съединение. Линията е прекъсната. Още по-лошото е, когато канал от мълния се пробие директно към проводниците.Тогава пренапрежението е с порядък по-голям, отколкото при повреда на опората. Борбата с това явление днес остава трудна задача за електроенергийната индустрия. Освен това, с усъвършенстването на технологията, сложността й само нараства.

Телевизионната кула Останкино действа като гръмоотвод, като пропусна гръмоотвод на 200 метра под върха. За да задоволят бързо нарастващите енергийни нужди на човечеството, съвременните централи трябва да бъдат комбинирани в мощни системи. Сега в Русия функционира единна енергийна система: всички нейни съоръжения работят взаимосвързано. Следователно случайният срив дори на една електропреносна линия или електроцентрала може да доведе до сериозни последици, подобни на случилите се в Москва през май 2005 г. По света бяха отбелязани много системни аварии, причинени от мълнии. Един от тях - в САЩ през 1968 г., причини многомилионна щета. Тогава гръмоотвод изключи една електропроводна мрежа и енергийната система не можеше да се справи с възникналия енергиен дефицит.

Не е изненадващо, че специалистите обръщат необходимото внимание на защитата на електропроводи от мълнии. По цялата дължина на въздушните линии с напрежение 110 kV или повече, специални метални кабели са окачени, опитвайки се да защитят проводниците от директен контакт отгоре. Изолацията им е максимална, устойчивостта на заземяване на опорите е изключително намалена, а полупроводниковите устройства, като тези, които защитават входните вериги на компютрите или висококачествените телевизори, се използват за ограничаване на пренапрежения. Вярно, тяхното сходство е само по принцип на работа, но работното напрежение за линейни ограничители се оценява в милиони волта - оценете мащаба на цената на защита срещу мълнии!

Хората често питат дали е възможно да се проектира абсолютно устойчива на мълния линия? Отговорът е да. Но тук са неизбежни два нови въпроса: кой се нуждае от това и колко ще струва? Всъщност, ако е невъзможно да се повреди надеждно защитена електропреносна линия, тогава е възможно например да се формира невярна команда за изключване на линията или просто унищожаване на веригите за автоматизация на ниско напрежение, които в съвременния дизайн са изградени по микропроцесорна технология. Работното напрежение на чиповете намалява всяка година. Днес тя се изчислява в единици волта. Именно там има място за мълнии! И няма нужда от директен удар, защото той е в състояние да действа дистанционно и веднага върху големи площи. Основното му оръжие е електромагнитното поле. Горе беше споменато за тока на мълнията, въпреки че и токът, и скоростта му на растеж са важни за оценка на електромоторната сила на магнитната индукция. При светкавица последната може да надвишава 2 • 1011 A / s. Във всяка верига с площ от 1 м2 на разстояние 100 м от мълниеносния канал такъв ток ще предизвика напрежение около два пъти по-високо, отколкото в изводите на жилищна сграда. Не е нужно много въображение, за да си представите съдбата на микрочипове, проектирани за напрежение от порядъка на един волт.

В световната практика има много сериозни произшествия поради разрушаване на вериги за управление на мълнии. Този списък включва повреда на бордовото оборудване на самолетите и космическите кораби, фалшиви изключвания на цели „пакети“ от високо напрежение на електропроводи и повреда в оборудването на антенните мобилни комуникационни системи. За съжаление, забележимо място тук е заето от „щетите“ на джоба на обикновените граждани за повреда на домакински уреди, която все повече пълни домовете ни.

НАЧИН НА ЗАЩИТА

Свикнали сме да разчитаме на мълниезащита. Спомняте ли си одата на големия учен от XVIII век, академик Михаил Ломоносов за тяхното изобретение? Нашият известен сънародник беше възхитен от победата, каза, че небесният огън е престанал да бъде опасен. Разбира се, това устройство на покрива на жилищна сграда няма да позволи светкавиците да подпалят дървена настилка или други горими строителни материали. По отношение на електромагнитните ефекти той е безсилен. Няма значение дали токът на мълния тече в канала си или през металния прът на мълниеносния прът, той все пак възбужда магнитно поле и предизвиква опасно напрежение поради магнитна индукция във вътрешни електрически вериги. За да се бори с това ефективно, е необходим гръмоотвод, който да пресече канала за изхвърляне при отдалечени подходи към защитения обект, т.е. стават много високи, защото индуцираното напрежение е обратно пропорционално на разстоянието до токовия проводник.

Днес е натрупан голям опит в използването на такива структури с различна височина.Статистиката обаче не е много успокояваща. Защитната зона на пръчка от мълнии обикновено се представя под формата на конус, чиято ос е, но с върха, разположен малко по-ниско от горния му край. Обикновено 30-метровата „сърцевина“ осигурява 99% надеждност на защитата на сградата, ако се издигне на около 6 м. Над нея. За постигането на това не е проблем. Но с увеличаване на височината на мълниеносния прът, разстоянието от върха му до "покрития" обект, минимално необходимото за задоволителна защита, бързо нараства. За 200-метрова конструкция със същата степен на надеждност този параметър вече надхвърля 60 m, а за 500-метрова структура - 200 m.

Посочената по-горе телевизионна кула Останкино също играе подобна роля: не е в състояние да се защити, пропуска удари от мълнии на разстояние 200 м под върха. Радиусът на защитната зона на нивото на земята за високи мълниеносни пръчки също се увеличава рязко: за 30-метров е сравним с височината му, за същата телевизионна кула - 1/5 от височината му.

С други думи, не може да се надяваме, че мълниеносни пръти с традиционен дизайн ще могат да прехващат мълнии при отдалечени подходи към обекта, особено ако последният заема голяма площ на повърхността на земята. Това означава, че трябва да се съобразим с реалната вероятност от изхвърляне на мълния на територията на електроцентрали и подстанции, летища, складове с течни и газообразни горива и разширени антенни полета. Разпространявайки се в земята, токът на мълния частично навлиза в многобройните подземни комуникации на съвременни технически съоръжения. По правило има електрически вериги на системи за автоматизация, управление и обработка на информация - самите микроелектронни устройства, споменати по-горе. Между другото, изчисляването на токовете в земята е сложно дори и в най-простата формулировка. Трудностите се изострят поради силните промени в съпротивлението на повечето почви, в зависимост от силата на разпространяваните в тях килоамперни токове, които са характерни само за атмосферните разряди. Законът на Ом не се прилага за изчисляване на вериги с такива нелинейни съпротивления.

Към "нелинейността" на почвата се добавя вероятността от образуване на разширени искрови канали в нея. Ремонтните екипажи на кабелни линии са добре запознати с такава картина. Бразда се простира по земята от високо дърво на горски ръб, сякаш от плуг или стар плуг, и се откъсва точно над коловоза на подземен телефонен кабел, който е повреден на това място - металната обвивка е смачкана, изолацията на сърцевината е разрушена. Така се появи ефектът от мълния. Тя удари дърво и токът му, разпространявайки се по корените, създаде силно електрическо поле в земята, образува в него плазмен искра канал. Всъщност светкавиците продължиха своето развитие, така както не само през въздуха, но и в земята. И така може да премине десетки, и то в особено лошо провеждащи се течения почви (скалисти или вечно замръзнали) и стотици метри. Пробивът към обекта не се осъществява по традиционния начин - отгоре, а се заобикаля всякакви мълнии отдолу. Плъзгащите се зауствания по почвената повърхност се възпроизвеждат добре в лабораторията. Всички тези сложни и силно нелинейни явления се нуждаят от експериментални изследвания, моделиране.

Токът за генериране на разряд може да се генерира от изкуствен импулсен източник. Енергията се натрупва в кондензаторната банка за около минута и след това се „разлива“ в басейна с почва за десетина микросекунди. Такива капацитивни задвижвания има в много изследователски центрове за високо напрежение. Размерите им достигат десетки метра, маса - десетки тона. Те не могат да бъдат доставени на територията на електрическа подстанция или друго промишлено съоръжение с цел пълно възпроизвеждане на условията за разпространение на мълниеносни течения. Това е възможно само случайно, когато обектът е в съседство с стойка за високо напрежение - например в открита инсталация на Сибирския научноизследователски институт по енергетика импулсен генератор с високо напрежение се поставя до предавателна линия 110 kV. Но това, разбира се, е изключение.

Симулатор на мълния болт

Всъщност това не трябва да е уникален експеримент, а обикновена ситуация.Специалистите имат остра нужда от пълномащабно симулиране на тока на мълния, тъй като това е единственият начин да се получи надеждна картина на разпределението на токовете в подземните комунални услуги, да се измери въздействието на електромагнитното поле върху микропроцесорните устройства и да се определи естеството на разпространението на плъзгащи се искрови канали. Съответните тестове трябва да станат широко разпространени и да се извършват преди въвеждането в експлоатация на всяко основно ново отговорно техническо съоръжение, както отдавна се прави в авиацията и космонавтиката. Днес няма алтернатива, освен да се създаде мощен, но малък и мобилен източник на импулсни токове с параметри на тока на мълния. Неговият прототип модел вече съществува и беше успешно тестван на подстанция Donino (110 kV) през септември 2005 г. Цялото оборудване се помещаваше в заводски ремарке от серийната Волга.

Мобилният тестов комплекс се основава на генератор, който преобразува механичната енергия на експлозия в електрическа енергия. Този процес обикновено е добре известен: той се осъществява във всяка електрическа машина, където механичната сила задвижва ротора, противодействайки на силата на взаимодействието му с магнитното поле на статора. Основната разлика е изключително високата скорост на отделяне на енергия по време на експлозията, която бързо ускорява металното бутало (обшивката) вътре в намотката. Той измества магнитното поле в микросекунди, осигурявайки възбуждане на високо напрежение в импулсен трансформатор. След допълнително усилване от импулсен трансформатор, напрежението генерира ток в изпитвания обект. Идеята за това устройство принадлежи на нашия изключителен сънародник, „баща“ на водородната бомба, академик А.Д. Сахаров.

Експлозия в специална камера с висока якост унищожава само намотка с дължина 0,5 м и вътрешна обвивка вътре в нея. Останалите елементи на генератора се използват многократно. Веригата може да се регулира така, че скоростта на растеж и продължителността на генерирания импулс да съответстват на подобни параметри на тока на мълния. Освен това е възможно да го „задвижите“ в обект с голяма дължина, например, в проводник между опори за електропроводи, в земния контур на модерна подстанция или във фюзелажа на самолет.

При тестване на образец на прототип на генератор, само 250 g взривни вещества бяха поставени в камерата. Това е достатъчно, за да се образува токов импулс с амплитуда до 20 000 А. Въпреки това, за първи път те не отидоха за такъв радикален ефект - токът беше ограничен изкуствено. В началото на инсталацията имаше само леко изскачане на взривната камера. И тогава проверените записи на цифрови осцилоскопи показаха след това: токовия импулс с дадените параметри беше успешно въведен в светлинния проводник на подстанцията. Сензорите отбелязват скок на мощността в различни точки на заземяващия контур.

Сега комплексът на пълен работен ден е в процес на подготовка. Той ще бъде настроен на пълномащабна симулация на светкавични токове и в същото време ще бъде поставен в задната част на сериен камион. Взривната камера на генератора е проектирана да работи с 2 кг взривни вещества. Има всички основания да се смята, че комплексът ще бъде универсален. С негова помощ ще бъде възможно да се тестват не само електрическа мощност, но и други големи по размер обекти от ново оборудване за устойчивост на въздействието на токово и електромагнитно поле на мълнии: ядрени централи, телекомуникационни устройства, ракетни системи и др.

Бих искал да завърша статията на основна бележка, особено след като има причини за това. Пускането в експлоатация на съоръжение за изпитване на пълен работен ден ще позволи обективно да се оцени ефективността на най-модерното защитно оборудване. Известно недоволство обаче остава. Всъщност човекът отново следва оловото на мълнията и е принуден да се примири с нейната воля, като същевременно губи много пари. Използването на средства за защита от мълния води до увеличаване на размера и теглото на обекта, разходите за оскъдни материали растат.Парадоксални ситуации са съвсем реални, когато размерите на защитното оборудване надвишават тези на защитения конструктивен елемент. Инженерният фолклор съхранява отговора на известен самолетен конструктор на предложението за проектиране на абсолютно надежден самолет: тази работа може да се извърши, ако клиентът се примири с единствения недостатък на проекта - самолетът никога няма да слезе от земята. Нещо подобно се случва в защитата от мълнии днес. Вместо настъпление, експертите държат кръгова защита. За да излезете от порочния кръг, трябва да разберете механизма на образуването на траекторията на мълнията и да намерите средства за контрол на този процес поради слаби външни влияния. Задачата е трудна, но далеч не безнадеждна. Днес е ясно, че светкавицата, която се движи от облак към земята, никога не удря поземен обект: от върха му към приближаваща светкавица расте искрен канал, т. Нар. Настъпващ лидер. В зависимост от височината на обекта той се простира на десетки метра, понякога няколко стотин и среща мълния. Разбира се, тази „дата“ не се случва винаги - мълнията може да пропусне.

Но това е съвсем очевидно: колкото по-рано възникне настъпващият лидер, толкова по-нататък той ще премине към мълния и следователно, толкова повече шансове те да се срещнат. Следователно, трябва да научите как да „забавяте“ искра каналите от защитени обекти и, обратно, да стимулирате от мълнии проводници. Причината за оптимизма е вдъхновена от онези много слаби външни електрически полета, в които се образуват мълнии. При гръмотевични бури поле в близост до земята е около 100-200 V / cm - приблизително същото като на повърхността на електрически шнур на желязо или електрическа самобръсначка. Тъй като мълнията се задоволява с такава дребност, това означава, че влиянията, които я контролират, могат да бъдат също толкова слаби. Важно е само да се разбере в кой момент и в каква форма те трябва да се обслужват. Отпред е трудна, но интересна изследователска работа.

Академик Владимир ФОРТОВ, Съвместен институт по физика на високи температури РАН, доктор на техническите науки Едуард БАЗЕЛЯН, Институт по енергетика GM Krzyzanowski.