Slik beskytter du deg mot lynet

Lyn vekket alltid en persons fantasi og ønske om å kjenne verden. Hun brakte ild til jorden, etter å ha temmet det, ble folk kraftigere. Vi regner ennå ikke med erobringen av dette formidable naturfenomenet, men ønsker "fredelig sameksistens." Tross alt, jo mer perfekt utstyret vi lager, jo farligere atmosfærisk strøm er det. En av metodene for beskyttelse er å foreløpig, ved hjelp av en spesiell simulator, vurdere sårbarheten til industrifasiliteter for det nåværende og elektromagnetiske lynfeltet.

Å elske stormen i begynnelsen av mai er lett for diktere og kunstnere. Kraftingeniøren, signalmannen eller astronauten vil ikke glede seg fra begynnelsen av tordenværssesongen: han lover for mye trøbbel. I gjennomsnitt utgjør hver kvadratkilometer i Russland årlig omtrent tre lynnedslag. Deres elektriske strøm når 30.000 A, og for de kraftigste utslippene kan den overstige 200.000 A. Temperaturen i en godt ionisert plasmakanal med til og med moderat lyn kan nå 30.000 ° C, som er flere ganger høyere enn i den elektriske lysbuen til sveisemaskinen. Og selvfølgelig er det ikke bra for mange tekniske fasiliteter. Branner og eksplosjoner fra direkte lyn er godt kjent for spesialister. Men vanlige mennesker overdriver tydelig risikoen for en slik hendelse.

Spissen av flaggstangen til fjernsynstårnet Ostankino. Det er synlige spor etter refow. I virkeligheten er ikke den "himmelske elektriske lighteren" så effektiv. Se for deg: du prøver å brenne i løpet av en orkan, når det på grunn av den sterke vinden er vanskelig å tenne til og med tørt halm. Luftstrømmen fra lynkanalen er enda kraftigere: dens utladning gir opphav til en sjokkbølge, hvis dundrende rumling bryter og slukker flammen. Et paradoks, men et svakt lyn er brannfare, spesielt hvis en strøm på rundt 100 A strømmer gjennom kanalen sin i tiendedels sekund (i evigheter i verden av gnistutladninger!), Sistnevnte er ikke mye forskjellig fra en bue, og en elektrisk lysbue vil antenne alt som kan brenne.

For en bygning med normal høyde er lynnedslag imidlertid ikke en hyppig forekomst. Erfaring og teori viser: den er "tiltrukket" av en grunnstruktur fra en avstand nær sine tre høyder. Det ti etasjers tårnet vil samle rundt 0,08 lyn hvert år, d.v.s. gjennomsnittlig 1 hit på 12,5 års drift. En hytte med loft er omtrent 25 ganger mindre: eieren må i gjennomsnitt "vente" i omtrent 300 år.

Men la oss ikke bagatellisere faren. Hvis lynet rammer minst ett av 300-400 landsbyhus, er det usannsynlig at lokale innbyggere vil anse denne hendelsen som ubetydelig. Men det er gjenstander med mye større lengde - si kraftlinjer (NEP). Lengden deres kan godt overstige 100 km, høyde - 30 m. Så hver av dem vil samle slag fra høyre og venstre med strimler på 90 m bred. Det totale arealet med å "trekke" lynet vil overstige 18 km2, antallet er 50 per år. Selvfølgelig vil stålstøttene på linjen ikke brenne ut, ledningene vil ikke smelte. Lyn slår omtrent 30 ganger i året på spissen av flaggstangen til Ostankino TV-tårnet (Moskva), men ingenting forferdelig skjer. Og for å forstå hvorfor de er farlige for kraftledninger, må du vite arten av elektriske, ikke termiske effekter.

HOVEDKRAFTEN TIL LYSNING

Når den slås i støtten til den elektriske ledningen, strømmer strømmen ned i bakken gjennom bakkemotstanden, som som regel er 10-30 ohm. Samtidig Ohms lov til og med det "middels" lynet, med en strøm på 30.000 A, skaper en spenning på 300-900 kV, og kraftig - flere ganger mer. Så det er tordenvær overspenninger. Hvis de når megavoltnivået, tåler ikke isolasjonen på kraftoverføringsledningen og bryter gjennom. En kortslutning oppstår. Linjen er koblet fra. Enda verre når en lyn kanal bryter direkte til ledningene.Da er overspenningen en størrelsesorden høyere enn ved skade på bæreren. Kampen mot dette fenomenet i dag er fortsatt en vanskelig oppgave for elektrisk kraftindustri. Med forbedring av teknologi øker dessuten kompleksiteten bare.

Ostankino TV-tårn fungerte som en lynstav, etter å ha gått glipp av et lynnedslag 200 meter under toppen. For å tilfredsstille det raskt voksende energibehovet for menneskeheten, må moderne kraftverk kombineres til kraftige systemer. Et enhetlig energisystem opererer nå i Russland: alle anleggene er koblet sammen. Derfor kan utilsiktet svikt i enda en kraftoverføringsledning eller kraftverk føre til alvorlige konsekvenser som ligner på det som skjedde i Moskva i mai 2005. Det er blitt notert mange systemulykker forårsaket av lyn i verden. En av dem - i USA i 1968, forårsaket skade på flere millioner dollar. Da slo et lynuttak av den ene kraftledningen, og kraftsystemet klarte ikke å takle energiunderskuddet som oppsto.

Det er ikke overraskende at spesialister tar hensyn til beskyttelsen av kraftledninger mot lyn. Spesielle metallkabler er hengende langs hele lengden av luftledninger med en spenning på 110 kV og mer, for å prøve å beskytte ledningene mot direkte kontakt ovenfra. Deres isolasjon er maksimert, jordingsmotstanden til støttene er ekstremt redusert, og halvlederenheter, for eksempel de som beskytter inngangskretsene til datamaskiner eller TVer av høy kvalitet, brukes til å begrense overspenninger. Riktignok er likheten bare i prinsippet om drift, men driftsspenningen for lineære begrensere er estimert i millioner volt - vurder omfanget av kostnadene for beskyttelse mot lyn!

Folk spør ofte om det er mulig å designe en absolutt lynbestandig linje? Svaret er ja. Men her er to nye spørsmål uunngåelige: hvem trenger det og hvor mye vil det koste? Hvis det er umulig å skade en pålitelig beskyttet kraftoverføringslinje, er det for eksempel mulig å danne en falsk kommando for å koble fra linjen eller bare ødelegge lavspente automatiseringskretser, som i moderne design er bygget på mikroprosessorteknologi. Driftsspenningen til brikkene synker hvert år. I dag er det beregnet i enheter av volt. Det er der det er rom for lyn! Og det er ikke behov for en direkte streik, fordi den er i stand til å handle eksternt og umiddelbart over store områder. Dets viktigste våpen er det elektromagnetiske feltet. Det ble nevnt ovenfor om lynstrømmen, selv om både strøm og veksthastighet er viktig for å vurdere elektromotorisk kraft for magnetisk induksjon. I lyn kan sistnevnte overstige 2 • 1011 A / s. I en hvilken som helst krets med et areal på 1 m2 i en avstand på 100 m fra lynkanalen vil en slik strøm indusere en spenning på omtrent dobbelt så høy som i utløpene til et boligbygg. Det krever ikke mye fantasi å forestille seg skjebnen til mikrobrikker designet for en spenning i størrelsesorden en volt.

I praksis i verden er det mange alvorlige ulykker på grunn av ødeleggelse av lynkontrollkretser. Denne listen inkluderer skader på ombordutstyret til fly- og romfartøyer, falske avstengninger av hele “pakker” av høyspenningsledninger og svikt i utstyret til antennemobilkommunikasjonssystemer. Dessverre er et merkbart sted her okkupert av "skaden" på vanlige innbyggers lomme for skade på husholdningsapparater, som mer og mer fyller husene våre.

MÅTER FOR VERN

Vi er vant til å stole på lynbeskyttelse. Husker du oden til den store forskeren fra det XVIII århundre, akademiker Mikhail Lomonosov på deres oppfinnelse? Vår berømte landsmann var strålende fornøyd med seieren, sa at den himmelske ilden har opphørt å være farlig. Selvfølgelig vil denne enheten på taket av et boligbygg ikke la lynet sette fyr på tregulv eller andre brennbare byggematerialer. Når det gjelder elektromagnetiske effekter, er han maktesløs. Det gjør ingen forskjell om lynstrømmen strømmer i sin kanal eller gjennom metallstangen på lynstangen, den frister likevel et magnetfelt og induserer en farlig spenning på grunn av magnetisk induksjon i interne elektriske kretsløp. For å bekjempe dette effektivt, er det nødvendig med en lynstang for å avskjære utløpskanalen ved fjerntilnærminger til det beskyttede objektet, dvs. bli veldig høy, fordi den induserte spenningen er omvendt proporsjonal med avstanden til strømlederen.

I dag har man fått stor erfaring med å bruke slike strukturer i forskjellige høyder.Statistikken er imidlertid ikke veldig trøstende. Beskyttelsessonen til en lynstang for stang er vanligvis presentert i form av en kjegle, hvis akse den er, men med en spiss som ligger litt lavere enn øvre ende. Vanligvis gir en 30-meters “kjerne” 99% pålitelighet av bygningsbeskyttelse hvis den stiger omtrent 6 meter over det. For å oppnå dette er ikke et problem. Men med en økning i lynets stang øker avstanden fra toppen til den "dekket" gjenstanden, det minste som er nødvendig for tilfredsstillende beskyttelse, raskt. For en 200-meters struktur med samme grad av pålitelighet overstiger denne parameteren allerede 60 m, og for en 500-meters struktur - 200 m.

Det nevnte TV-tårnet Ostankino spiller også en lignende rolle: det er ikke i stand til å beskytte seg selv, det passerer lynnedslag i en avstand på 200 m under toppen. Radiusen for beskyttelsessonen på bakkenivå for høye lynstenger øker også kraftig: for en 30 meter stor størrelse er den sammenlignbar med høyden, for det samme TV-tårnet - 1/5 av høyden.

Med andre ord kan man ikke håpe at lynstenger med tradisjonell utforming vil kunne avskjære lyn ved fjerne tilnærminger til gjenstanden, spesielt hvis sistnevnte okkuperer et stort område på jordoverflaten. Dette betyr at vi må regne med den reelle sannsynligheten for et lynutslipp til territoriet til kraftverk og transformatorstasjoner, flyplasser, lager av flytende og gassformig brensel, utvidede antennefelt. Spredt i bakken går lynstrømmen delvis inn i de mange underjordiske kommunikasjonene til moderne tekniske fasiliteter. Som regel er det elektriske kretsløp for automatiserings-, kontroll- og informasjonsbehandlingssystemer - de veldig mikroelektroniske enhetene som er nevnt over. Forresten, beregningen av strømmer i jorden er komplisert selv i den enkleste formuleringen. Vanskelighetene forverres på grunn av sterke endringer i motstanden til de fleste jordsmonnene, avhengig av styrken til kiloampere-strømningene som sprer seg i dem, som bare er karakteristiske for utslipp i atmosfæren. Ohms lov gjelder ikke beregning av kretsløp med slike ikke-lineære motstander.

Til "ikke-lineariteten" av jorda er lagt sannsynligheten for dannelse av utvidede gnistkanaler i den. Reparasjonsmannskap på kabellinjer er godt kjent med et slikt bilde. En furu strekker seg langs bakken fra et høyt tre i en skogkant, som fra en plog eller en gammel plog, og bryter av like over sporet til en underjordisk telefonkabel som er skadet på dette stedet - metallskjeden er krøllet, isolasjonen av kjernene ødelegges. Så effekten av lynet manifesterte seg. Hun slo et tre, og dets strøm, spredte seg langs røttene, skapte et sterkt elektrisk felt i bakken, dannet en plasma-gnistkanal i den. Faktisk fortsatte lynet utviklingen, som den var, ikke bare gjennom luften, men i bakken. Og slik kan det passere dusinvis, og i spesielt dårlig ledende strømmer jord (steinete eller permafrost) og hundrevis av meter. Gjennombruddet til gjenstanden utføres ikke på tradisjonell måte - ovenfra, men omgår alle lynstenger nedenfra. Skyveutslipp langs jordoverflaten er godt reprodusert på laboratoriet. Alle disse komplekse og svært ikke-lineære fenomenene trenger eksperimentell forskning og modellering.

Strømmen for å generere et utslipp kan genereres av en kunstig pulserende kilde. Energi akkumuleres i omtrent et minutt i en kondensatorbank, og "søles" ut i bassenget med jord i et dusin mikrosekunder. Slike kapasitive stasjoner er i mange høyspent forskningssentre. Deres dimensjoner når titalls meter, masse - titalls tonn. Du kan ikke levere slikt til territoriet til et elektrisk transformatorstasjon eller et annet industrielt anlegg for å gjengi vilkårene for spredning av lynstrømmer fullt ut. Dette er bare mulig ved en tilfeldighet, når gjenstanden ligger ved siden av et høyspenningsstativ - for eksempel i en åpen installasjon fra Siberian Research Institute of Energy, plasseres en pulserende høyspenningsgenerator ved siden av en 110 kV overføringsledning. Men dette er selvfølgelig et unntak.

Lyn Bolt Simulator

Dette skal faktisk ikke være et unikt eksperiment, men en vanlig situasjon.Spesialister har stort behov for en fullskala simulering av lynstrømmen, siden dette er den eneste måten å få et pålitelig bilde av fordeling av strømmer i underjordiske verktøy, måle effektene av det elektromagnetiske feltet på mikroprosessoranordninger og bestemme arten av utbredelsen av glidende gnistkanaler. Tilsvarende tester bør bli utbredt og utføres før idriftsettelse av hvert grunnleggende nytt ansvarlig teknisk anlegg, slik det lenge har vært gjort innen luftfart og astronautikk. I dag er det ikke noe annet alternativ enn å lage en kraftig, men liten størrelse og mobil kilde til pulsstrømmer med lynstrømparametere. Prototypemodellen eksisterer allerede og ble vellykket testet på Donino-transformatorstasjonen (110 kV) i september 2005. Alt utstyret ble plassert i en fabrikkhenger fra serien Volga.

Det mobile testkomplekset er basert på en generator som konverterer den mekaniske energien til en eksplosjon til elektrisk energi. Denne prosessen er generelt godt kjent: den finner sted i enhver elektrisk maskin, der den mekaniske kraften beveger rotoren, og motvirker kraften i dens samspill med magnetfeltet til statoren. Den grunnleggende forskjellen er den ekstremt høye hastigheten på energiutslipp under eksplosjonen, som raskt akselererer metallstempelet (foringen) inne i spolen. Den fortrenger magnetfeltet i mikrosekunder, og gir høyspenning-eksitasjon i en pulstransformator. Etter ytterligere forsterkning med en pulstransformator, genererer spenningen en strøm i testobjektet. Ideen om denne enheten tilhører vår enestående landsmann, "faren" til hydrogenbomben, akademiker A.D. Sakharov.

En eksplosjon i et spesielt høykraftskammer ødelegger bare en 0,5 m lang spole og en foring inni den. De gjenværende elementene i generatoren brukes gjentatte ganger. Kretsen kan justeres slik at veksthastigheten og varigheten av den genererte pulsen tilsvarer lignende lynstrømparametere. Det er dessuten mulig å "drive" den inn i et objekt med stor lengde, for eksempel inn i en ledning mellom kraftoverføringslinjestøtter, i bakkelykken på et moderne transformatorstasjon eller i flykroppen til en flyselskap.

Ved testing av en prototypegeneratorprøve ble bare 250 g sprengstoff satt inn i kammeret. Dette er nok til å danne en strømpuls med en amplitude på opptil 20 000 A. For første gang gikk de imidlertid ikke for en så radikal effekt - strømmen var kunstig begrenset. Ved oppstart av installasjonen var det bare et lett sprett av det eksplosjonskameraet. Og så viste innspillingene av digitale oscilloskop som da ble vist: en strømpuls med de gitte parametere ble vellykket introdusert i lynets leder. Sensorer bemerket en strømstøt på forskjellige punkter i bakken.

Nå er heltidskomplekset i forberedelse. Det vil være innstilt på fullskala simulering av lynstrømmer og samtidig bli plassert på baksiden av en seriebil. Eksplosivkammeret til generatoren er designet for å fungere med 2 kg eksplosiver. Det er all grunn til å tro at komplekset vil være universelt. Med sin hjelp vil det være mulig å teste ikke bare elektrisk kraft, men også andre store gjenstander av nytt utstyr for å motstå effekten av strøm og elektromagnetisk lynfelt: kjernekraftverk, telekommunikasjonsenheter, missilsystemer, etc.

Jeg vil gjerne fullføre artikkelen på en hovednote, spesielt siden det er grunner til dette. Igangsetting av et testanlegg på heltid vil gjøre det mulig å objektivt vurdere effektiviteten til det mest avanserte verneutstyret. Noe misnøye gjenstår imidlertid. Faktisk følger personen igjen lynet og blir tvunget til å stille opp med sin vilje, mens hun taper mye penger. Bruk av lynbeskyttelsesmidler fører til en økning i gjenstandens størrelse og vekt, kostnadene for knappe materialer vokser.Paradoksale situasjoner er ganske reelle når størrelsene på verneutstyr overstiger størrelsen til det beskyttede konstruksjonselementet. Teknisk folklore lagrer responsen fra en kjent flydesigner på forslaget om å designe et absolutt pålitelig fly: dette arbeidet kan gjøres hvis kunden forener seg med den eneste ulempen med prosjektet - flyet vil aldri komme fra bakken. Noe lignende skjer i lynbeskyttelsen i dag. I stedet for en offensiv, har eksperter et sirkulært forsvar. For å bryte ut av den onde sirkelen, må du forstå mekanismen for dannelsen av lynbanen og finne midler til å kontrollere denne prosessen på grunn av svake ytre påvirkninger. Oppgaven er vanskelig, men langt fra håpløs. I dag er det tydelig at lynet som beveger seg fra en sky til jorden aldri slår et bakkeobjekt: fra toppen mot et nærliggende lyn vokser en gnistkanal, den såkalte møtende leder. Avhengig av høyden på objektet, strekker den seg i titalls meter, noen ganger flere hundre og møter lynet. Selvfølgelig skjer ikke denne “datoen” - lynet kan gå glipp av.

Men det er ganske åpenbart: jo før den møtende lederen oppstår, jo lenger vil han gå videre til lynet, og desto større er sjansene for dem å møte. Derfor må du lære hvordan du "bremser" gnistkanalene fra beskyttede objekter og omvendt å stimulere fra lynledere. Årsaken til optimisme er inspirert av de veldig svake eksterne elektriske felt der lynet dannes. I tordenvær er et felt nær jorden omtrent 100-200 V / cm - omtrent det samme som på overflaten til en elektrisk ledning av et strykejern eller en barbermaskin. Siden lynet er fornøyd med en slik litenhet, betyr det at påvirkningene som styrer det, kan være like svake. Det er bare viktig å forstå på hvilket tidspunkt og i hvilken form de skal serveres. Fremover er et vanskelig, men interessant forskningsarbeid.

Akademiker Vladimir FORTOV, Joint Institute for High Temperature Physics RAS, Doctor in Technical Sciences Eduard BAZELYAN, Energy Institute oppkalt etter GM Krzyzanowski.