Ako sa chrániť pred bleskom

Blesk vždy prebudil fantáziu a túžbu človeka spoznať svet. Ona priniesla oheň na zem, po krotení, ktoré ľudia stali silnejšími. Zatiaľ nepočítame s dobývaním tohto impozantného prírodného fenoménu, ale chceli by sme „mierové spolužitie“. Koniec koncov, čím dokonalejšie zariadenie vytvárame, tým nebezpečnejšia je atmosférická elektrina. Jednou z metód ochrany je predbežne vyhodnotiť zraniteľnosť priemyselných zariadení pre súčasné a elektromagnetické pole blesku pomocou špeciálneho simulátora.

Milovanie búrok začiatkom mája je pre básnikov a umelcov ľahké. Od začiatku búrky nebude mať radosť energetik, signalizant alebo astronaut: sľubuje príliš veľa problémov. V priemere každý štvorcový kilometer Ruska ročne predstavuje približne tri údery blesku. Ich elektrický prúd dosahuje 30 000 A a pri najsilnejších výbojoch môže prekročiť 200 000 A. Teplota v dobre ionizovanom plazmovom kanáli s miernym bleskom môže dosiahnuť 30 000 ° C, čo je niekoľkokrát viac ako v elektrickom oblúku zváračky. A to samozrejme nie je dobré pre veľa technických zariadení. Požiare a výbuchy priameho blesku sú odborníkom dobre známe. Bežní ľudia však jednoznačne preháňajú riziko takejto udalosti.

Špička stožiara televíznej veže Ostankino. Viditeľné sú stopy spätného toku: „nebeský elektrický zapaľovač“ v skutočnosti nie je taký efektívny. Predstavte si, že sa snažíte urobiť oheň počas hurikánu, keď je kvôli silnému vetru ťažké zapáliť aj suchú slamu. Prúd vzduchu z bleskového kanála je ešte silnejší: jeho výboj vedie k nárazovej vlne, ktorej búrlivý dunenie rozbije a zhasne plameň. Paradoxom, ale slabým bleskom, je nebezpečenstvo požiaru, najmä ak prúdom okolo 100 A prúdi jeho kanálom po desatiny sekundy (pre veky vo svete iskrových výbojov!), Ten sa príliš nelíši od elektrického oblúka a elektrický oblúk zapáli všetko, čo môže horieť.

V prípade budovy s normálnou výškou však zásahy bleskom nie sú častým javom. Skúsenosti a teória ukazujú: „priťahuje sa“ k pozemnej stavbe z diaľky blízko jej troch výšok. Desať poschodová veža bude zhromažďovať približne 0,08 bleskov ročne, t. v priemere 1 zásah za 12,5 rokov prevádzky. Chata s podkrovím je asi 25-krát menšia: majiteľ bude musieť v priemere „čakať“ asi 300 rokov.

Ale neznižujme nebezpečenstvo. Ak blesk zasiahne aspoň jeden z 300 - 400 vidieckych domov, miestni obyvatelia pravdepodobne nebudú považovať túto udalosť za zanedbateľnú. Existujú však objekty oveľa dlhšej dĺžky, napríklad elektrické vedenia (NEP). Ich dĺžka môže presahovať 100 km, ich výška je 30 m. To znamená, že každý z nich bude zhromažďovať údery sprava a zľava, so pruhmi širokými 90 m. Celková plocha „ťahania“ bleskov presiahne 18 km2, ich počet je 50 za rok. Oceľové podpery potrubia samozrejme nespália, drôty sa neroztopia. Blesk zasiahne asi 30-krát ročne na špičke stožiaru televíznej veže Ostankino (Moskva), ale nič strašné sa nestane. A aby ste pochopili, prečo sú nebezpečné pre elektrické vedenia, musíte poznať povahu elektrických, nie tepelných účinkov.

HLAVNÁ Sila osvetlenia

Pri úderu na podporu elektrického vedenia prúd prúdi do zeme cez zemný odpor, ktorý je spravidla 10-30 Ohmov. Súčasne Ohmov zákon dokonca aj „stredný“ blesk s prúdom 30 000 A vytvára napätie 300 až 900 kV a výkonné - niekoľkokrát viac. Takže sú tu búrkové prepätia. Ak dosiahnu úroveň megavoltov, izolácia elektrického vedenia sa nevstane a prerazí sa. Vyskytol sa skrat. Linka je odpojená. Ešte horšie je, keď sa kanál blesku preruší priamo na drôty.Potom je prepätie rádovo vyššie ako pri poškodení nosiča. Boj proti tomuto fenoménu je v elektroenergetike aj naďalej náročnou úlohou. Navyše so zlepšovaním technológie jej zložitosť iba rastie.

Televízna veža Ostankino fungovala ako bleskozvod, keďže zmeškal úder blesku 200 metrov pod vrcholom. Aby sa uspokojili rýchlo rastúce energetické potreby ľudstva, musia sa moderné elektrárne spojiť do výkonných systémov. V Rusku teraz funguje jednotný energetický systém: všetky jeho zariadenia pracujú vzájomne prepojené. Preto môže neúmyselné zlyhanie jednej prenosovej linky alebo elektrárne viesť k vážnym následkom podobným tomu, čo sa stalo v Moskve v máji 2005. Na svete bolo zaznamenaných veľa systémových nehôd spôsobených bleskom. Jeden z nich - v USA v roku 1968 spôsobil škody v hodnote niekoľkých miliónov dolárov. Potom bleskový výboj vypol jedno elektrické vedenie a energetický systém sa nedokázal vyrovnať s vzniknutým energetickým deficitom.

Nie je prekvapujúce, že odborníci venujú náležitú pozornosť ochrane elektrického vedenia pred bleskom. Po celej dĺžke nadzemného vedenia s napätím 110 kV alebo viac sú zavesené špeciálne kovové káble, ktoré sa snažia chrániť vodiče pred priamym kontaktom zhora. Ich izolácia je maximalizovaná, uzemňovací odpor nosičov je extrémne znížený a polovodičové zariadenia, ako napríklad tie, ktoré chránia vstupné obvody počítačov alebo vysokokvalitných televízorov, sa používajú na obmedzenie prepätia. Je pravda, že ich podobnosť je iba v princípe činnosti, ale prevádzkové napätie pre lineárne obmedzovače sa odhaduje na milióny voltov - vyhodnoťte rozsah nákladov na ochranu pred bleskom!

Ľudia sa často pýtajú, či je možné navrhnúť absolútne odolnú linku? Odpoveď je áno. Tu sú však nevyhnutné dve nové otázky: kto to potrebuje a koľko to bude stáť? Ak nie je možné poškodiť spoľahlivo chránené vedenie prenosu energie, potom je napríklad možné vytvoriť falošný príkaz na odpojenie vedenia alebo jednoducho zničiť nízkonapäťové automatizačné obvody, ktoré sú v modernom dizajne postavené na mikroprocesorovej technológii. Prevádzkové napätie čipov sa každý rok znižuje. Dnes sa počíta v jednotkách voltov. Tam je priestor pre blesky! Priamy úder nie je potrebný, pretože je schopný konať na diaľku a okamžite na veľkých plochách. Jeho hlavnou zbraňou je elektromagnetické pole. Vyššie bolo uvedené o bleskovom prúde, hoci prúd aj rýchlosť jeho rastu sú dôležité pre hodnotenie elektromotorickej sily magnetickej indukcie. Pri blesku môže posledný menovaný prekročiť 2 • 1011 A / s. V každom obvode s plochou 1 m2 vo vzdialenosti 100 m od bleskového kanála indukuje taký prúd napätie asi dvakrát vyššie ako v zásuvkách bytového domu. Predstaviť si osud mikročipov určených pre napätie rádovo jeden volt si nevyžaduje veľa fantázie.

Vo svetovej praxi je známych veľa vážnych nehôd v dôsledku zničenia regulačných obvodov blesku. Tento zoznam zahŕňa poškodenie palubného vybavenia lietadiel a kozmických lodí, nepravdivé odstavenie celých „balíkov“ vedení vysokého napätia a zlyhanie zariadenia anténnych mobilných komunikačných systémov. Pozoruhodné miesto tu bohužiaľ zaujíma aj „poškodenie“ bežných občanov, ktoré môžu poškodiť domáce spotrebiče, ktoré čoraz viac zapĺňa naše domovy.

SPÔSOBY OCHRANY

Sme zvyknutí počítať s ochranou pred bleskom. Pamätáte si ódu na veľkého vedca XVIII. Storočia, akademika Michailu Lomonosova o svojom vynáleze? Náš slávny krajan bol potešený víťazstvom a povedal, že nebeský oheň prestal byť nebezpečný. Toto zariadenie samozrejme na streche bytového domu samozrejme neumožňuje spustenie blesku na drevené podlahy alebo iné horľavé stavebné materiály. Pokiaľ ide o elektromagnetické účinky, je bezmocný. Nezáleží na tom, či bleskový prúd tečie vo svojom kanáli alebo cez kovovú tyč bleskovej tyče, napriek tomu excituje magnetické pole a indukuje nebezpečné napätie v dôsledku magnetickej indukcie vo vnútorných elektrických obvodoch. Na účinný boj proti tomu je potrebný bleskozvod na zachytenie výbojového kanála pri vzdialených priblíženiach k chránenému objektu, t.j. veľmi vysoké, pretože indukované napätie je nepriamo úmerné vzdialenosti vodiča prúdu.

S používaním takýchto štruktúr v rôznych výškach sa dnes získali veľké skúsenosti.Štatistika však nie je veľmi upokojujúca. Ochranná zóna tyčového blesku je obvykle vytvorená vo forme kužeľa, ktorého os je, ale s vrcholom umiestneným mierne nižšie ako jeho horný koniec. 30-metrové „jadro“ obvykle poskytuje 99% spoľahlivosť ochrany budovy, ak stúpa asi 6 metrov nad ňu. To nie je problém. Ale so zväčšením výšky hromozvodu blesk rýchlo rastie vzdialenosť od jeho vrcholu po „zakrytý“ objekt, minimum potrebné na uspokojivú ochranu. Pre 200 metrovú konštrukciu s rovnakým stupňom spoľahlivosti tento parameter už presahuje 60 ma pre 500 metrovú štruktúru - 200 m.

Podobnú úlohu hrá aj už spomínaná televízna veža Ostankino: nie je schopná chrániť sa, chýba 200 úderov blesku vo vzdialenosti 200 m pod vrcholom. Polomer ochranného pásma na úrovni zeme pre vysoké hromozvody sa tiež prudko zvyšuje: pre 30 metrov jeden je porovnateľný s jeho výškou, pre tú istú televíznu vežu - 1/5 jeho výšky.

Inými slovami, nemožno dúfať, že bleskozvody tradičného dizajnu budú schopné zachytiť blesky pri vzdialených prístupoch k objektu, najmä ak tento zaberá veľkú plochu na zemskom povrchu. To znamená, že musíme reálne počítať s bleskovým výbojom na území elektrární a rozvodní, letísk, skladov kvapalných a plynných palív, rozšírených anténnych polí. Bleskový prúd, ktorý sa šíri po zemi, čiastočne vstupuje do početných podzemných komunikácií moderných technických zariadení. Spravidla existujú elektrické obvody systémov automatizácie, riadenia a spracovania informácií - uvedené mikroelektronické zariadenia. Mimochodom, výpočet prúdov v zemi je komplikovaný dokonca aj v najjednoduchšej formulácii. Ťažkosti sa zhoršujú v dôsledku výrazných zmien v odpore väčšiny pôd v závislosti od sily kmitajúcich prúdov v nich, ktoré sú typické pre výboje atmosférickej elektriny. Ohmov zákon sa nevzťahuje na výpočet obvodov s takýmito nelineárnymi odpormi.

K „nelinearite“ pôdy sa pridáva pravdepodobnosť vytvorenia rozšírených iskrových kanálikov v nej. Opravárenské posádky káblových vedení sú s takýmto obrázkom dobre oboznámené. Brázda sa tiahne pozdĺž zeme od vysokého stromu na okraji lesa, akoby od pluhu alebo starého pluhu, a odlomí sa tesne nad dráhou podzemného telefónneho kábla, ktorý je na tomto mieste poškodený - kovový plášť je pokrčený, izolácia jadier je zničená. Takže sa prejavil efekt blesku. Udrel strom a jeho prúd, šíriaci sa pozdĺž koreňov, vytvoril silné zemné pole v zemi, vytvoril v ňom plazmový kanálik. V skutočnosti blesk pokračoval vo svojom vývoji tak, ako to bolo nielen vzduchom, ale aj v zemi. A tak môže prejsť desiatky a najmä v slabo vodivých pôdach (skalnatých alebo permafrostových) a stovkách metrov. Prielom k objektu sa neuskutočňuje tradičným spôsobom - zhora, ale obchádza bleskové prúty zdola. Posuvné výboje pozdĺž povrchu pôdy sú v laboratóriu dobre reprodukované. Všetky tieto komplexné a vysoko nelineárne javy vyžadujú experimentálny výskum, modelovanie.

Prúd na generovanie výboja môže byť generovaný umelým pulzným zdrojom. Energia sa akumuluje asi minútu v kondenzátorovej banke a potom „vytečie“ do bazéna pôdou za tucet mikrosekúnd. Takéto kapacitné pohony sa nachádzajú v mnohých výskumných strediskách vysokého napätia. Ich rozmery dosahujú desiatky metrov, hmotnosť - desiatky ton. Nemôžete ich dopraviť na územie elektrickej rozvodne alebo iného priemyselného zariadenia, aby ste úplne reprodukovali podmienky šírenia bleskových prúdov. Toto je možné iba náhodou, keď objekt prilieha na vysokonapäťový stojan - napríklad v otvorenej inštalácii Siberian Research Institute of Energy sa vedľa prenosového vedenia 110 kV umiestni impulzný vysokonapäťový generátor. Toto je, samozrejme, výnimka.

Simulátor blesku

V skutočnosti by to nemal byť jedinečný experiment, ale bežná situácia.Odborníci naliehavo potrebujú úplnú simuláciu bleskového prúdu, pretože to je jediný spôsob, ako získať spoľahlivý obraz o distribúcii prúdov v podzemných sieťach, zmerať účinky elektromagnetického poľa na mikroprocesorové technologické zariadenia a určiť šírenie vzoru posuvných iskrových kanálov. Zodpovedajúce testy by sa mali rozšíriť a mali by sa vykonať pred uvedením každého zásadne nového zodpovedného technického zariadenia do prevádzky, ako sa to už dlho robí v letectve a astronautike. V súčasnosti neexistuje iná možnosť, ako vytvoriť silný, ale malý a mobilný zdroj impulzných prúdov s parametrami bleskového prúdu. Jeho prototypový model už existuje a bol úspešne testovaný v rozvodni Donino (110 kV) v septembri 2005. Všetky zariadenia boli umiestnené v továrni na príves zo sériovej Volgy.

Mobilný testovací komplex je založený na generátore, ktorý prevádza mechanickú energiu výbuchu na elektrickú energiu. Tento proces je všeobecne známy: prebieha v každom elektrickom stroji, kde mechanická sila poháňa rotor, pôsobiacu proti jeho interakcii s magnetickým poľom statora. Zásadný rozdiel spočíva v extrémne vysokej rýchlosti uvoľňovania energie počas explózie, ktorá rýchlo urýchľuje kovový piest (vložku) vo vnútri cievky. Vytláča magnetické pole v mikrosekundych a poskytuje vysokonapäťové budenie v impulznom transformátore. Po dodatočnom zosilnení impulzným transformátorom generuje napätie v testovanom objekte prúd. Myšlienka tohto zariadenia patrí nášmu vynikajúcemu krajanovi, „otcovi“ vodíkovej bomby, akademikovi A.D. Sacharov.

Výbuch v špeciálnej vysokopevnostnej komore zničí iba 0,5 m dlhú cievku a vložku vo vnútri. Zostávajúce prvky generátora sa používajú opakovane. Okruh môže byť nastavený tak, aby rýchlosť rastu a doba trvania generovaného impulzu zodpovedali podobným parametrom bleskového prúdu. Ďalej je možné „vraziť“ ho do objektu veľkej dĺžky, napríklad do drôtu medzi podperami vedenia elektrického vedenia, do uzemňovacej slučky modernej rozvodne alebo do trupu dopravného lietadla.

Pri testovaní vzorky prototypu generátora sa do komory vložilo iba 250 g výbušnín. To stačí na vytvorenie prúdového impulzu s amplitúdou až 20 000 A. Prvýkrát však nešli za taký radikálny efekt - prúd bol umelo obmedzený. Na začiatku inštalácie došlo k ľahkému odprýskávaniu vypaľovacej kamery. A potom sa skontrolovali záznamy digitálnych osciloskopov: do bleskového vodiča rozvodne sa úspešne zaviedol prúdový impulz s danými parametrami. Senzory zaznamenali prudký nárast výkonu v rôznych bodoch uzemňovacej slučky.

Teraz je komplex na plný úväzok v procese prípravy. Bude nastavený na úplnú simuláciu bleskových prúdov a súčasne bude umiestnený do zadnej časti sériového nákladného vozidla. Výbušná komora generátora je navrhnutá pre prácu s 2 kg výbušnín. Existuje každý dôvod domnievať sa, že komplex bude univerzálny. Vďaka tomu bude možné testovať nielen elektrickú energiu, ale aj ďalšie veľké objekty novej technológie na odolnosť proti účinkom súčasného a elektromagnetického poľa blesku: jadrové elektrárne, telekomunikačné zariadenia, raketové systémy atď.

Chcel by som tento článok dokončiť významnou poznámkou, najmä preto, že existujú dôvody. Uvedenie do prevádzky skúšobného zariadenia na plný úväzok umožní objektívne vyhodnotiť účinnosť najmodernejších ochranných zariadení. Určitá nespokojnosť však stále pretrváva. V skutočnosti sa človek opäť riadi bleskom a je nútená zmieriť sa so svojou vôli, pričom stráca veľa peňazí. Použitie prostriedkov na ochranu pred bleskom vedie k zvýšeniu veľkosti a hmotnosti predmetu, náklady na vzácne materiály rastú.Paradoxné situácie sú celkom reálne, keď rozmery ochranných zariadení presahujú rozmery chráneného konštrukčného prvku. Inžiniersky folklór uchováva reakciu známeho leteckého dizajnéra na návrh na vytvorenie absolútne spoľahlivého lietadla: túto prácu je možné vykonať, ak zákazník súhlasí s jedinou nevýhodou projektu - lietadlo sa nikdy nevráti zo zeme. V súčasnosti sa pri ochrane pred bleskom deje niečo podobné. Namiesto ofenzívy majú odborníci kruhovú obranu. Aby ste prelomili začarovaný kruh, musíte pochopiť mechanizmus tvorby trajektórie blesku a nájsť prostriedky na riadenie tohto procesu z dôvodu slabých vonkajších vplyvov. Úloha je náročná, ale zďaleka beznádejná. Dnes je zrejmé, že blesk, ktorý sa pohybuje z oblaku na Zem, nikdy nenarazí na pozemný objekt: od jeho vrcholu smerom k blížiacemu sa blesku sa rozrastie iskrovod, tzv. Prichádzajúci vodca. V závislosti od výšky objektu sa tiahne desiatky metrov, niekedy niekoľko stoviek a stretáva sa s bleskom. Tento „dátum“ sa samozrejme nestane vždy - bleskom môže chýbať.

Je to však celkom zrejmé: čím skôr nadchádzajúci vodca povstane, tým viac postúpi k blesku, a tým väčšia šanca na stretnutie. Preto sa musíte naučiť, ako „spomaliť“ iskry z chránených objektov a naopak stimulovať bleskozvody. Dôvod optimizmu je inšpirovaný veľmi slabými vonkajšími elektrickými poľami, v ktorých sa vytvára blesk. V búrkach je pole blízko Zeme asi 100 - 200 V / cm - približne rovnaké ako na povrchu elektrického kábla zo železa alebo holiaceho strojčeka. Keďže blesk je taký malý, znamená to, že účinky, ktoré ho ovládajú, môžu byť rovnako slabé. Je dôležité len pochopiť, v akom momente av akej forme by sa im malo doručiť. Vpredu je náročná, ale zaujímavá výskumná práca.

Akademik Vladimír FORTOV, spoločný inštitút fyziky vysokých teplôt RAS, doktor technických vied Eduard BAZELYAN, energetický ústav pomenovaný po GM Krzyżanowski.