Jak uchronić się przed piorunem

Błyskawica zawsze budziła wyobraźnię i chęć poznania świata. Przyniosła ogień na ziemię, poskromiwszy który, ludzie stali się silniejsi. Nie liczymy jeszcze na podbój tego budzącego grozę zjawiska naturalnego, ale chcielibyśmy „pokojowego współistnienia”. W końcu, im doskonalszy sprzęt, jaki tworzymy, tym bardziej niebezpieczna jest dla niego elektryczność atmosferyczna. Jedną z metod ochrony jest wstępne, za pomocą specjalnego symulatora, oszacowanie wrażliwości obiektów przemysłowych na obecne i elektromagnetyczne pole pioruna.

Kochanie burzy na początku maja jest łatwe dla poetów i artystów. Inżynier elektryk, sygnalizator lub astronauta nie będą zachwyceni od samego początku sezonu burz: obiecuje zbyt wiele kłopotów. Średnio na każdy kilometr kwadratowy Rosji przypada około trzy uderzenia pioruna. Ich prąd elektryczny osiąga 30 000 A, a dla najsilniejszych wyładowań może przekroczyć 200 000 A. Temperatura w dobrze zjonizowanym kanale plazmowym nawet umiarkowanego pioruna może osiągnąć 30 000 ° C, co jest kilkakrotnie wyższe niż w łuku elektrycznym spawarki. I oczywiście nie wróży to dobrze wielu obiektom technicznym. Pożary i wybuchy z bezpośredniej błyskawicy są dobrze znane specjalistom. Ale zwykli ludzie wyraźnie wyolbrzymiają ryzyko takiego zdarzenia.

Czubek masztu wieży telewizyjnej Ostankino. Widoczne są ślady reflow, w rzeczywistości „niebieska zapalniczka elektryczna” nie jest tak skuteczna. Wyobraź sobie: próbujesz rozpalić ogień podczas huraganu, kiedy z powodu silnego wiatru trudno jest rozpalić nawet suchą słomę. Strumień powietrza z kanału błyskawicy jest jeszcze silniejszy: jego wyładowanie powoduje powstanie fali uderzeniowej, której grzmotliwy huk rozbija i gasi płomień. Paradoks, ale słaba błyskawica stanowi zagrożenie pożarowe, szczególnie jeśli prąd o wartości około 100 A przepływa przez jego kanał przez dziesiąte sekundy (przez wieki w świecie wyładowań iskrowych!), Ten ostatni niewiele różni się od łuku, a łuk elektryczny zapali wszystko, co może się palić.

Jednak w przypadku budynków o normalnej wysokości uderzenia pioruna nie są częstym zjawiskiem. Doświadczenie i teoria pokazują: „przyciąga” ją do struktury ziemi z odległości bliskiej jej trzem wysokościom. Dziesięciopiętrowa wieża będzie zbierać około 0,08 błyskawicy rocznie, tj. średnio 1 trafienie w 12,5 roku działalności. Domek z poddaszem jest około 25 razy mniejszy: średnio właściciel będzie musiał „czekać” około 300 lat.

Ale nie lekceważmy niebezpieczeństwa. Rzeczywiście, jeśli piorun uderzy w co najmniej jeden z 300-400 domów na wsi, lokalni mieszkańcy raczej nie uznają tego wydarzenia za nieistotne. Ale są obiekty o znacznie większej długości - powiedzmy, linie energetyczne (NEP). Ich długość może przekraczać 100 km, ich wysokość wynosi 30 m. Oznacza to, że każdy z nich będzie zbierał ciosy z prawej i lewej strony, z paskami o szerokości 90 m. Łączna powierzchnia „ciągnięcia” pioruna przekroczy 18 km2, ich liczba wynosi 50 rocznie. Oczywiście stalowe podpory linii nie wypalą się, druty nie stopią się. Błyskawica uderza około 30 razy w roku na szczycie masztu telewizyjnego Ostankino (Moskwa), ale nic strasznego się nie dzieje. Aby zrozumieć, dlaczego są one niebezpieczne dla linii energetycznych, musisz poznać naturę efektów elektrycznych, a nie termicznych.

GŁÓWNA SIŁA OŚWIETLENIA

Po uderzeniu we wspornik linii elektrycznej prąd przepływa do ziemi przez rezystancję uziemienia, która z reguły wynosi 10-30 omów. W tym samym czasie Prawo Ohma nawet „średnie” pioruny, o prądzie 30 000 A, wytwarzają napięcie 300–900 kV, a mocne - kilka razy więcej. Więc są przepięcia burzowe. Jeśli osiągną poziom megawoltów, izolacja linii elektroenergetycznej nie wytrzymuje i się przebija. Występuje zwarcie. Linia jest odłączona. Co gorsza, gdy kanał piorunów pęka bezpośrednio na przewody.Wówczas przepięcie jest o rząd wielkości wyższe niż w przypadku uszkodzenia wspornika. Walka z tym zjawiskiem pozostaje dziś trudnym zadaniem dla branży elektroenergetycznej. Co więcej, wraz z ulepszaniem technologii rośnie jej złożoność.

Wieża telewizyjna Ostankino działała jak piorun, nie trafiając pioruna 200 metrów poniżej szczytu. Aby zaspokoić szybko rosnące potrzeby energetyczne ludzkości, nowoczesne elektrownie muszą zostać połączone w potężne systemy. W Rosji działa teraz zunifikowany system energetyczny: wszystkie jego obiekty działają wzajemnie. Dlatego przypadkowa awaria choćby jednej linii elektroenergetycznej lub elektrowni może prowadzić do poważnych konsekwencji podobnych do tego, co wydarzyło się w Moskwie w maju 2005 r. Na świecie odnotowano wiele wypadków spowodowanych piorunem. Jeden z nich - w USA w 1968 r. Spowodował szkody o wartości wielu milionów dolarów. Następnie wyładowanie błyskawiczne spowodowało wyłączenie jednej linii energetycznej, a system elektroenergetyczny nie był w stanie poradzić sobie z powstałym deficytem energii.

Nic dziwnego, że specjaliści zwracają należytą uwagę na ochronę linii energetycznych przed piorunem. Specjalne metalowe kable są zawieszone na całej długości linii napowietrznych o napięciu 110 kV i większym, próbując chronić przewody przed bezpośrednim kontaktem z góry. Ich izolacja jest zmaksymalizowana, rezystancja uziemienia podpór jest bardzo zmniejszona, a urządzenia półprzewodnikowe, takie jak te, które chronią obwody wejściowe komputerów lub telewizorów wysokiej jakości, są stosowane w celu ograniczenia przepięć. To prawda, że ​​ich podobieństwo jest jedynie zasadą działania, ale napięcie robocze ograniczników liniowych szacowane jest w milionach woltów - oceń skalę kosztu ochrony przed piorunem!

Ludzie często pytają, czy możliwe jest zaprojektowanie absolutnie odpornej na błyskawice linii? Odpowiedź brzmi: tak. Ale tutaj dwa nowe pytania są nieuniknione: kto tego potrzebuje i ile to będzie kosztowało? Rzeczywiście, jeśli nie można uszkodzić niezawodnie zabezpieczonej linii przesyłowej energii, możliwe jest na przykład wydanie fałszywego polecenia odłączenia linii lub po prostu zniszczenia niskonapięciowych obwodów automatyki, które w nowoczesnej konstrukcji są zbudowane na technologii mikroprocesorowej. Napięcie robocze chipów maleje każdego roku. Dzisiaj jest obliczany w jednostkach woltów. Tam jest miejsce na błyskawice! I nie ma potrzeby bezpośredniego uderzenia, ponieważ jest on w stanie działać zdalnie i natychmiast na dużych obszarach. Jego główną bronią jest pole elektromagnetyczne. Wspomniano powyżej o prądzie pioruna, chociaż zarówno prąd, jak i jego szybkość wzrostu są ważne dla oceny siły elektromotorycznej indukcji magnetycznej. Błyskawica może przekroczyć 2 • 1011 A / s. W każdym obwodzie o powierzchni 1 m2 w odległości 100 m od kanału odgromowego taki prąd indukuje napięcie około dwa razy wyższe niż na wylotach budynku mieszkalnego. Wyobraź sobie los mikroczipów zaprojektowanych na napięcie rzędu jednego wolta.

W praktyce światowej dochodzi do wielu poważnych wypadków spowodowanych zniszczeniem obwodów sterowania piorunem. Lista ta obejmuje uszkodzenia wyposażenia pokładowego samolotów pasażerskich i statków kosmicznych, fałszywe zamykanie całych „pakietów” linii elektroenergetycznych wysokiego napięcia oraz awarie urządzeń antenowych systemów łączności ruchomej. Niestety zauważalne miejsce zajmuje „uszkodzenie” kieszeni zwykłego obywatela z powodu uszkodzeń urządzeń gospodarstwa domowego, które coraz częściej wypełniają nasze domy.

SPOSOBY OCHRONY

Jesteśmy przyzwyczajeni do polegania na ochronie odgromowej. Pamiętasz odę do wielkiego naukowca XVIII wieku, naukowca Michaiła Łomonosowa o ich wynalazku? Nasz słynny rodak był zachwycony zwycięstwem, powiedział, że niebiański ogień przestał być niebezpieczny. Oczywiście to urządzenie na dachu budynku mieszkalnego nie pozwoli piorunowi podpalić drewnianej podłogi lub innych łatwopalnych materiałów budowlanych. Jeśli chodzi o efekty elektromagnetyczne, jest bezsilny. Nie ma znaczenia, czy prąd pioruna przepływa przez jego kanał, czy przez metalowy pręt odgromnika, wzbudza jednak pole magnetyczne i indukuje niebezpieczne napięcie z powodu indukcji magnetycznej w wewnętrznych obwodach elektrycznych. Aby skutecznie to zwalczyć, piorunochron jest wymagany do przechwycenia kanału wyładowczego przy zdalnym podejściu do chronionego obiektu, tj. stają się bardzo wysokie, ponieważ indukowane napięcie jest odwrotnie proporcjonalne do odległości od przewodu prądowego.

Dzisiaj zdobyto ogromne doświadczenie w stosowaniu takich konstrukcji o różnych wysokościach.Jednak statystyki nie są zbyt pocieszające. Strefa ochronna piorunochronu ma zwykle postać stożka, którego oś jest, ale z wierzchołkiem umieszczonym nieco niżej niż jego górny koniec. Zwykle 30-metrowy „rdzeń” zapewnia 99% niezawodności ochrony budynku, jeśli wznosi się około 6 metrów nad nim. Osiągnięcie tego nie stanowi problemu. Jednak wraz ze wzrostem wysokości pioruna, odległość od jego szczytu do „zakrytego” obiektu, minimum niezbędnego do zadowalającej ochrony, szybko rośnie. W przypadku konstrukcji 200-metrowej o tym samym stopniu niezawodności parametr ten przekracza już 60 m, a dla konstrukcji 500-metrowej - 200 m.

Podobną rolę odgrywa także wspomniana wieża telewizyjna Ostankino: nie jest w stanie się chronić, przepuszcza uderzenia pioruna w odległości 200 m poniżej szczytu. Promień strefy ochronnej na poziomie gruntu dla dużych piorunów również gwałtownie wzrasta: dla 30-metrowego jest porównywalny z jego wysokością, dla tej samej wieży telewizyjnej - 1/5 jej wysokości.

Innymi słowy, nie można mieć nadziei, że piorunochrony o tradycyjnym designie będą w stanie przechwycić pioruny przy odległych podejściach do obiektu, zwłaszcza jeśli ten ostatni zajmie duży obszar na powierzchni ziemi. Oznacza to, że musimy liczyć się z realnym prawdopodobieństwem wyładowania piorunowego na terytorium elektrowni i podstacji, lotnisk, magazynów paliw płynnych i gazowych oraz rozszerzonych pól antenowych. Rozpływający się w ziemi prąd pioruna częściowo wchodzi w liczne podziemne połączenia nowoczesnych obiektów technicznych. Z reguły istnieją obwody elektryczne systemów automatyki, sterowania i przetwarzania informacji - wspomniane powyżej urządzenia mikroelektroniczne. Nawiasem mówiąc, obliczanie prądów na ziemi jest skomplikowane nawet w najprostszym sformułowaniu. Trudności nasilają się z powodu silnych zmian rezystancji większości gleb, w zależności od siły rozprzestrzeniających się w nich prądów kiloamperowych, które są po prostu charakterystyczne dla wyładowań atmosferycznych. Prawo Ohma nie ma zastosowania do obliczania obwodów o takich rezystancjach nieliniowych.

Do „nieliniowości” gleby dodaje się prawdopodobieństwo powstania w niej rozszerzonych kanałów iskrowych. Ekipy remontowe linii kablowych dobrze znają taki obraz. Bruzda rozciąga się wzdłuż ziemi z wysokiego drzewa na skraju lasu, jak z pługa lub starego pługa, i odrywa się tuż nad torem podziemnego kabla telefonicznego, który jest uszkodzony w tym miejscu - metalowa osłona jest zmięta, izolacja rdzeni jest zniszczona. Tak więc pojawił się efekt błyskawicy. Uderzyła w drzewo, a jego prąd, rozprzestrzeniający się wzdłuż korzeni, wytworzył silne pole elektryczne w ziemi, utworzył w nim plazmowy kanał iskrowy. W rzeczywistości błyskawica kontynuowała swój rozwój, nie tylko w powietrzu, ale w ziemi. I tak może przepływać dziesiątki, aw szczególnie słabo przewodzących prądach gleby (skaliste lub zmarzliny) i setki metrów. Przełom w kierunku obiektu nie odbywa się w tradycyjny sposób - z góry, lecz omijając pioruny od dołu. Wyładowania ślizgowe wzdłuż powierzchni gleby są dobrze odtwarzane w laboratorium. Wszystkie te złożone i wysoce nieliniowe zjawiska wymagają badań eksperymentalnych, modelowania.

Prąd do generowania wyładowania może być generowany przez źródło sztucznego impulsu. Energia gromadzona jest w banku kondensatorów przez około minutę, a następnie „rozlana” do sadzawki z glebą w kilkanaście mikrosekund. Takie napędy pojemnościowe znajdują się w wielu ośrodkach badawczych wysokiego napięcia. Ich wymiary sięgają dziesiątek metrów, masa - dziesiątki ton. Nie można dostarczyć takich na terytorium podstacji elektrycznej lub innego obiektu przemysłowego w celu pełnego odtworzenia warunków rozprzestrzeniania się prądów piorunowych. Jest to możliwe tylko przez przypadek, gdy obiekt przylega do stojaka wysokiego napięcia - na przykład w otwartej instalacji Syberyjskiego Instytutu Badawczego Energii impulsowy generator wysokiego napięcia jest umieszczony obok linii przesyłowej 110 kV. Ale to oczywiście wyjątek.

Lightning Bolt Simulator

W rzeczywistości nie powinien to być wyjątkowy eksperyment, ale zwykła sytuacja.Specjaliści pilnie potrzebują pełnej symulacji prądu piorunowego, ponieważ jest to jedyny sposób, aby uzyskać wiarygodny obraz rozkładu prądów w podziemnych obiektach użyteczności publicznej, zmierzyć wpływ pola elektromagnetycznego na urządzenia mikroprocesorowe i określić charakter propagacji przesuwnych kanałów iskier. Odpowiednie testy powinny zostać upowszechnione i przeprowadzone przed uruchomieniem każdego zasadniczo nowego odpowiedzialnego obiektu technicznego, tak jak to robiono od dawna w lotnictwie i astronautyce. Dziś nie ma innej alternatywy, jak stworzenie potężnego, ale niewielkiego i mobilnego źródła prądów impulsowych o parametrach prądu pioruna. Jego prototypowy model już istnieje i został pomyślnie przetestowany na stacji elektroenergetycznej Donino (110 kV) we wrześniu 2005 roku. Cały sprzęt został umieszczony w fabrycznej przyczepie z seryjnej Wołgi.

Mobilny kompleks testowy oparty jest na generatorze, który przekształca energię mechaniczną wybuchu w energię elektryczną. Proces ten jest ogólnie dobrze znany: odbywa się w dowolnej maszynie elektrycznej, w której siła mechaniczna porusza wirnikiem, przeciwdziałając sile jego oddziaływania z polem magnetycznym stojana. Podstawową różnicą jest wyjątkowo wysokie tempo uwalniania energii podczas eksplozji, które szybko przyspiesza metalowy tłok (wkładkę) wewnątrz cewki. Przemieszcza pole magnetyczne w mikrosekundach, zapewniając wzbudzenie wysokiego napięcia w transformatorze impulsowym. Po dodatkowym wzmocnieniu przez transformator impulsowy napięcie wytwarza prąd w obiekcie testowym. Idea tego urządzenia należy do naszego wybitnego rodaka, „ojca” bomby wodorowej, Academician A.D. Sacharow.

Eksplozja w specjalnej komorze o wysokiej wytrzymałości niszczy tylko cewkę o długości 0,5 m i wewnętrzną wkładkę. Pozostałe elementy generatora są używane wielokrotnie. Obwód można regulować tak, aby tempo wzrostu i czas trwania generowanego impulsu odpowiadały podobnym parametrom prądu pioruna. Ponadto można „wbić” go w obiekt o dużej długości, na przykład w drut między wspornikami linii elektroenergetycznej, w pętlę uziemiającą nowoczesnej podstacji lub w kadłub samolotu pasażerskiego.

Podczas testowania prototypowej próbki generatora do komory włożono tylko 250 g materiałów wybuchowych. To wystarczy, aby utworzyć impuls prądowy o amplitudzie do 20 000 A. Jednak po raz pierwszy nie zdecydowali się na tak radykalny efekt - prąd został sztucznie ograniczony. Na początku instalacji słychać było tylko trzask wystrzelonej kamery. A następnie sprawdzone nagrania oscyloskopów cyfrowych pokazały: impuls prądu o zadanych parametrach z powodzeniem wprowadzono do piorunochronu podstacji. Czujniki odnotowały skok mocy w różnych punktach pętli uziemienia.

Obecnie kompleks w pełnym wymiarze godzin jest w przygotowaniu. Zostanie dostrojony do pełnej symulacji prądów piorunowych, a jednocześnie zostanie umieszczony z tyłu seryjnej ciężarówki. Komora wybuchowa generatora jest zaprojektowana do pracy z 2 kg materiałów wybuchowych. Istnieją wszelkie powody, by sądzić, że kompleks będzie uniwersalny. Z jego pomocą możliwe będzie testowanie nie tylko energii elektrycznej, ale także innych dużych obiektów nowego sprzętu pod kątem odporności na działanie prądu i pola elektromagnetycznego pioruna: elektrowni jądrowych, urządzeń telekomunikacyjnych, systemów rakietowych itp.

Chciałbym zakończyć artykuł istotną uwagą, zwłaszcza że istnieją ku temu powody. Uruchomienie pełnoetatowego obiektu testowego umożliwi obiektywną ocenę skuteczności najbardziej zaawansowanego sprzętu ochronnego. Jednak nadal pozostaje pewne niezadowolenie. W rzeczywistości osoba ponownie podąża za piorunem i jest zmuszona pogodzić się ze swoją świadomością, tracąc jednocześnie dużo pieniędzy. Zastosowanie środków odgromowych prowadzi do wzrostu wielkości i masy obiektu, rosną koszty rzadkich materiałów.Sytuacje paradoksalne są dość realne, gdy rozmiary sprzętu ochronnego przekraczają rozmiary chronionego elementu konstrukcyjnego. Folklor inżynierski przechowuje odpowiedź znanego projektanta samolotów na propozycję zaprojektowania całkowicie niezawodnego samolotu: prace te można wykonać, jeśli klient pogodzi się z jedyną wadą projektu - samolot nigdy nie spadnie z ziemi. Coś podobnego dzieje się dzisiaj w ochronie odgromowej. Zamiast ofensywy eksperci utrzymują obronę okrężną. Aby wydostać się z błędnego koła, musisz zrozumieć mechanizm powstawania trajektorii błyskawicy i znaleźć sposoby kontrolowania tego procesu z powodu słabych wpływów zewnętrznych. Zadanie jest trudne, ale dalekie od beznadziejności. Dziś jest jasne, że błyskawica przemieszczająca się z chmury na ziemię nigdy nie uderza w obiekt naziemny: od jego szczytu do zbliżającej się błyskawicy rośnie kanał iskrowy, tak zwany nadchodzący lider. W zależności od wysokości obiektu rozciąga się na dziesiątki metrów, czasem kilkaset i napotyka błyskawice. Oczywiście ta „data” nie zawsze się zdarza - błyskawica może przeoczyć.

Ale to całkiem oczywiste: im wcześniej pojawi się nadchodzący przywódca, tym bardziej posunie się do błyskawicy, a tym samym im większe szanse na spotkanie. Dlatego musisz nauczyć się, jak „spowalniać” kanały iskrowe chronionych obiektów i, odwrotnie, stymulować z piorunochronów. Przyczyną optymizmu są te bardzo słabe zewnętrzne pola elektryczne, w których powstaje błyskawica. Podczas burzy pole w pobliżu ziemi wynosi około 100-200 V / cm - mniej więcej tyle samo, co na powierzchni przewodu elektrycznego żelazka lub golarki elektrycznej. Ponieważ błyskawica jest zadowolona z tak małych rozmiarów, oznacza to, że kontrolujące ją wpływy mogą być równie słabe. Ważne jest jedynie zrozumienie, w którym momencie i w jakiej formie należy je obsłużyć. Przed nami trudna, ale interesująca praca badawcza.

Akademik Vladimir FORTOV, Wspólny Instytut Fizyki Wysokotemperaturowej RAS, doktor nauk technicznych Eduard BAZELYAN, Instytut Energii im. G.M. Kurżanowski.