Sådan beskytter du dig mod lyn

Lyn vækkede altid en persons fantasi og ønske om at kende verden. Hun bragte ild til jorden, efter at have temmet, folk blev mere magtfulde. Vi regner endnu ikke med erobringen af ​​dette formidable naturfænomen, men vil gerne "fredelig sameksistens." Når alt kommer til alt, jo mere perfekt udstyret vi skaber, desto farligere atmosfærisk elektricitet er det. En af metoderne til beskyttelse er forudgående at bruge en speciel simulator vurdere industrielle anlægs sårbarhed for det aktuelle og elektromagnetiske lynfelt.

At elske stormen i begyndelsen af ​​maj er let for digtere og kunstnere. Kraftingeniøren, signalmanden eller astronauten vil ikke glæde sig fra begyndelsen af ​​tordenvejrssæsonen: han lover for mange problemer. I gennemsnit udgør hver kvadratkilometer i Rusland årligt cirka tre lynnedslag. Deres elektriske strøm når 30.000 A, og for de mest kraftfulde udladninger kan den overstige 200.000 A. Temperaturen i en godt ioniseret plasmakanal med endda moderat lyn kan nå 30.000 ° C, hvilket er flere gange højere end i svejsemaskinens elektriske bue. Og selvfølgelig er det ikke godt for mange tekniske faciliteter. Brande og eksplosioner fra direkte lyn er velkendte for specialister. Men almindelige mennesker overdriver klart risikoen for en sådan begivenhed.

Spidsen af ​​flagstangen i Ostankino tv-tårn. Spor af reflow er synlige. I virkeligheden er den "himmelske elektriske lighter" ikke så effektiv. Forestil dig: du prøver at skabe ild under en orkan, når det på grund af den stærke vind er vanskeligt at tænde selv tørt halm. Luftstrømmen fra lynkanalen er endnu kraftigere: dens udladning giver anledning til en chokbølge, hvis tordnende rumle bryder og slukker flammen. Et paradoks, men en svag lyn er brandfare, især hvis en strøm på omkring 100 A strømmer gennem dens kanal i tiendedele af et sekund (i aldre i verden af ​​gnistudladninger!), Sidstnævnte er ikke meget forskellig fra en bue, og en elektrisk lysbue vil antænde alt, hvad der kan brænde.

For en bygning med normal højde er lynnedslag imidlertid ikke en hyppig forekomst. Erfaring og teori viser: det er ”tiltrukket” af en jordstruktur fra en afstand tæt på dens tre højder. Det ti-etagers tårn samler cirka 0,08 lyn hvert år, dvs. et gennemsnit på 1 hit i 12,5 års drift. Et sommerhus med loft er ca. 25 gange mindre: I gennemsnit skal ejeren "vente" i cirka 300 år.

Men lad os ikke bagatellisere faren. Hvis lynet strejker mindst et af 300-400 landsbyhuse, er det usandsynligt, at lokale beboere betragter denne begivenhed som ubetydelig. Men der er genstande med meget større længde - f.eks. Kraftledninger (NEP). Deres længde kan godt overstige 100 km, deres højde er 30 m. Dette betyder, at hver af dem samler slag fra højre og venstre, med strimler 90 m bred. Det samlede areal af lynet "trækker" vil overstige 18 km2, deres antal er 50 pr. År. Naturligvis vil stålstøtterne på linjen ikke brænde ud, ledningerne smelter ikke. Lyn strejker cirka 30 gange om året ved spidsen af ​​flagstangen i Ostankino TV-tårnet (Moskva), men intet forfærdeligt sker. Og for at forstå, hvorfor de er farlige for kraftledninger, skal du kende arten af ​​elektriske, ikke termiske effekter.

DEN HOVEDSKRAFT TIL LYSNING

Når den rammer i understøttelsen af ​​den elektriske ledning, strømmer strømmen ned i jorden gennem jordmodstanden, som som regel er 10-30 ohm. På samme tid Ohms lov selv det "mellemstore" lyn med en strøm på 30.000 A skaber en spænding på 300-900 kV og kraftig - flere gange mere. Så der er tordenvejr overspændinger. Hvis de når megavoltniveauet, står isolationsledningen ikke op og bryder igennem. Der opstår en kortslutning. Linjen er afbrudt. Endnu værre, når en lyn kanal bryder direkte til ledningerne.Derefter er overspændingen en størrelsesorden højere end ved skade på understøtningen. Kampen mod dette fænomen i dag er stadig en vanskelig opgave for den elektriske kraftindustri. Desuden vokser kompleksiteten kun med forbedring af teknologi.

Ostankino TV-tårnet fungerede som en lynstang efter at have gået glip af et lynnedslag 200 meter under toppen. For at tilfredsstille menneskehedens hurtigt voksende energibehov skal moderne kraftværker kombineres til magtfulde systemer. Et samlet energisystem fungerer nu i Rusland: alle dets faciliteter fungerer sammenkoblet. Derfor kan utilsigtet svigt i endda en kraftoverførselsledning eller et kraftværk føre til alvorlige konsekvenser, der ligner det, der skete i Moskva i maj 2005. Der er blevet bemærket en masse systemulykker forårsaget af lyn i verden. En af dem - i USA i 1968, forårsagede multimillioner dollars skade. Derefter slukkede et lynafladning den ene kraftledning, og kraftsystemet kunne ikke klare det energiunderskud, der opstod.

Det er ikke overraskende, at specialister er opmærksomme på beskyttelsen af ​​el-ledninger mod lyn. Specielle metal kabler er ophængt langs hele længden af ​​luftledninger med en spænding på 110 kV og mere for at forsøge at beskytte ledningerne mod direkte kontakt ovenfra. Deres isolering er maksimeret, jordforbindelsesmodstanden for understøttelserne er ekstremt reduceret, og halvlederenheder, såsom dem, der beskytter indgangskredsløbet på computere eller tv'er i høj kvalitet, bruges til at begrænse overspændinger. Det er sandt, at deres lighed kun er i driftsprincippet, men driftsspændingen for lineære begrænsere estimeres i millioner volt - vurder omfanget af omkostningerne til beskyttelse mod lyn!

Folk spørger ofte, om det er muligt at designe en absolut lynbestandig linje? Svaret er ja. Men her er to nye spørgsmål uundgåelige: hvem har brug for det, og hvor meget vil det koste? Hvis det er umuligt at beskadige en pålideligt beskyttet kraftoverførselsledning, er det for eksempel muligt at danne en falsk kommando for at afbryde forbindelsen eller blot ødelægge lavspændingsautomatiseringskredsløb, der i moderne design er bygget på mikroprocessorteknologi. Chipsens driftsspænding falder hvert år. I dag beregnes det i enheder af volt. Det er her der er plads til lyn! Og der er ikke behov for en direkte strejke, fordi den er i stand til at handle fjernt og straks over store områder. Dets vigtigste våben er det elektromagnetiske felt. Det blev nævnt ovenfor om lynstrømmen, selvom både strømmen og dens væksthastighed er vigtig for vurdering af den elektromotoriske kraft af magnetisk induktion. Ved lyn kan sidstnævnte overstige 2 • 1011 A / s. I ethvert kredsløb med et areal på 1 m2 i en afstand af 100 m fra lynkanalen vil en sådan strøm inducere en spænding på cirka dobbelt så høj som i udløbene i en boligbygning. Det kræver ikke meget fantasi at forestille sig skæbnen for mikrochips designet til en spænding i størrelsesordenen en volt.

I verdenspraksis er der mange alvorlige ulykker på grund af ødelæggelse af lynkontrolkredsløb. Denne liste inkluderer skader på det udstyr, der er indbygget på luftfartøjer og rumfartøjer, falske nedlukninger af hele "pakker" af højspændingsledninger og svigt i udstyret til antenne-mobile kommunikationssystemer. Desværre er et mærkbart sted her besat af ”skaden” på almindelige borgeres lomme for skader på husholdningsapparater, som mere og mere fylder vores hjem.

MÅDER FOR BESKYTTELSE

Vi er vant til at stole på lynbeskyttelse. Kan du huske oden til den store videnskabsmand fra det XVIII århundrede, akademiker Mikhail Lomonosov om deres opfindelse? Vores berømte landsmand var tilfreds med sejren og sagde, at den himmelske ild er ophørt med at være farlig. Naturligvis tillader denne enhed på taget af en boligbygning ikke lynet at sætte ild på et trægulv eller andre brændbare byggematerialer. Med hensyn til elektromagnetiske effekter er han magtløs. Det gør ingen forskel, om lynstrømmen flyder i dens kanal eller gennem metalstangen på lynstangen, den er alligevel begejstret for et magnetfelt og inducerer en farlig spænding gennem magnetisk induktion i interne elektriske kredsløb. For at bekæmpe dette effektivt kræves en lynstang for at opfange udledningskanalen ved fjerntilnærmelser til det beskyttede objekt, dvs. blive meget høj, fordi den inducerede spænding er omvendt proportional med afstanden til den aktuelle leder.

I dag er der opnået stor erfaring med at bruge sådanne strukturer i forskellige højder.Statistikken er dog ikke særlig trøstende. Beskyttelseszonen for en stang lynstang er normalt præsenteret i form af en kegle, hvis akse den er, men med en spids placeret lidt lavere end dens øvre ende. Normalt giver en 30 meter “kerne” 99% pålidelighed af bygningsbeskyttelse, hvis den stiger omkring 6 meter over det. At opnå dette er ikke et problem. Men med en stigning i højden på lynstangen vokser afstanden fra dens top til det "dækkede" objekt, det minimum, der er nødvendigt for tilfredsstillende beskyttelse, hurtigt. For en 200-meters struktur med samme grad af pålidelighed overstiger denne parameter allerede 60 m og for en 500-meters struktur - 200 m.

Det førnævnte tv-tårn i Ostankino spiller også en lignende rolle: det er ikke i stand til at beskytte sig selv, det passerer lynnedslag i en afstand af 200 m under toppen. Radius for beskyttelseszone på jordoverfladen for høje lynstænger øges også kraftigt: for en 30 meter lang er den sammenlignelig med dens højde, for det samme tv-tårn - 1/5 af dens højde.

Med andre ord kan man ikke håbe, at lynstænger af traditionelt design vil være i stand til at aflyse lynet i den fjerne tilgang til genstanden, især hvis sidstnævnte besætter et stort område på jordoverfladen. Dette betyder, at vi skal regne med den reelle sandsynlighed for et lynafladning til territoriet af kraftværker og transformatorstationer, flyvepladser, lagre med flydende og gasformigt brændstof, udvidede antennefelter. Spredning i jorden går lynstrømmen delvist ind i de mange underjordiske kommunikationer med moderne tekniske faciliteter. Som regel er der elektriske kredsløb med automatiserings-, kontrol- og informationsbehandlingssystemer - de meget mikroelektroniske enheder, der er nævnt ovenfor. Forresten er beregningen af ​​strømme i jorden kompliceret, selv i den enkleste formulering. Vanskelighederne forværres på grund af stærke ændringer i modstanden hos de fleste jordbund, afhængigt af styrken af ​​kiloampere-strømme, der spreder sig i dem, som bare er karakteristiske for atmosfærisk elektricitet. Ohms lov gælder ikke for beregning af kredsløb med sådanne ikke-lineære modstande.

Til jordens "ikke-linearitet" føjes sandsynligheden for dannelse af udvidede gnistkanaler i den. Reparationsbesætninger på kabellinjer er godt bekendt med et sådant billede. En fure strækker sig langs jorden fra et højt træ på en skovkant, som fra en plov eller en gammel plov, og bryder lige over sporet af et underjordisk telefonkabel, der er beskadiget på dette sted - metalskeden er sammenkrøllet, isoleringen af ​​kernerne ødelægges. Så virkningen af ​​lynet dukkede op. Hun slog et træ, og dets strøm, der spredte sig langs rødderne, skabte et stærkt elektrisk felt i jorden, dannede en plasma-gnistkanal i det. Faktisk fortsatte lynet udviklingen som sådan, ikke kun gennem luften, men i jorden. Og så kan det passere snesevis og i især dårligt ledende strømninger jord (stenet eller permafrost) og hundreder af meter. Gennembrudet til genstanden udføres ikke på den traditionelle måde - ovenfra, men omgår lynnedslag. Glideafgivelser langs jordoverfladen gengives godt i laboratoriet. Alle disse komplekse og meget ikke-lineære fænomener har brug for eksperimentel forskning og modellering.

Strømmen til generering af en udledning kan genereres af en kunstig pulserende kilde. Energi akkumuleres i cirka et minut i en kondensatorbank og "spildes" i puljen med jord i et dusin mikrosekunder. Sådanne kapacitive drev findes i mange højspændingsforskningscentre. Deres dimensioner når flere titalls meter, masse - titusinder af tons. Du kan ikke levere sådanne til et elektrisk transformerstation eller et andet industrielt anlægs område for fuldt ud at gengive betingelserne for spredning af lynstrømme. Dette er kun muligt ved et uheld, når objektet støder op til et højspændingsstativ - for eksempel i en åben installation af Siberian Research Institute of Energy, placeres en pulseret højspændingsgenerator ved siden af ​​en 110 kV transmissionslinie. Men dette er selvfølgelig en undtagelse.

Lynboltsimulator

Faktisk skulle dette ikke være et unikt eksperiment, men en almindelig situation.Specialister har stort behov for en simulering af lynstrømmen i fuld skala, da dette er den eneste måde at få et pålideligt billede af fordeling af strømme i underjordiske værktøjer, måle virkningerne af det elektromagnetiske felt på mikroprocessoranordninger og bestemme arten af ​​udbredelsen af ​​glidende gnistkanaler. Tilsvarende test bør udbredes og udføres inden idriftsættelse af hvert grundlæggende nyt ansvarligt teknisk anlæg, som længe er blevet gjort inden for luftfart og astronautik. I dag er der intet andet valg end at skabe en kraftig, men lille størrelse og mobil kilde til pulsstrømme med lynstrømparametre. Dens prototype findes allerede og blev testet med succes på Donino-stationen (110 kV) i september 2005. Alt udstyr var til huse i en fabrikstrailer fra serien Volga.

Det mobile testkompleks er baseret på en generator, der konverterer den mekaniske energi fra en eksplosion til elektrisk energi. Denne proces er generelt velkendt: den finder sted i enhver elektrisk maskine, hvor den mekaniske kraft driver rotoren, modvirker kraften i dens interaktion med statormagnetfeltet. Den grundlæggende forskel er den ekstremt høje energiudslipshastighed under eksplosionen, som hurtigt accelererer metalstemplet (foringen) inde i spolen. Det fortrænger magnetfeltet i mikrosekunder og tilvejebringer højspændingscititation i en pulstransformator. Efter yderligere forstærkning med en pulstransformator genererer spændingen en strøm i testobjektet. Idéen om denne enhed hører til vores enestående landsmand, "far" til brintbomben, akademiker A.D. Sakharov.

En eksplosion i et specielt højstyrkekammer ødelægger kun en 0,5 m lang spole og en foring inde i det. De resterende elementer i generatoren bruges gentagne gange. Kredsløbet kan justeres, så væksthastigheden og varigheden af ​​den genererede puls svarer til lignende lynstrømparametre. Derudover er det muligt at "drive" det ind i et objekt med stor længde, for eksempel ind i en ledning mellem kraftoverføringsledningsstøtter, i jordsløjfen på en moderne transformerstation eller i flyets flyplads.

Ved test af en prototypegeneratorprøve blev kun 250 g sprængstoffer anbragt i kammeret. Dette er nok til at danne en strømpuls med en amplitude på op til 20.000 A. Men for første gang gik de ikke for en sådan radikal virkning - strømmen var kunstigt begrænset. Ved installationen startede der kun et lys fra det blast-off kamera. Og så viste registreringerne af digitale oscilloskoper, som derefter blev kontrolleret,: en strømpuls med de givne parametre blev med succes introduceret i stationens lynleder. Sensorer bemærkede en strømstød på forskellige punkter i jordsløjfen.

Nu er fuldtidskomplekset i forberedelse. Det vil være indstillet til simulering af lynstrømme i fuld skala og placeres på bagsiden af ​​en seriel lastbil. Generatorens eksplosive kammer er designet til at arbejde med 2 kg sprængstoffer. Der er al mulig grund til at tro, at komplekset vil være universelt. Med det vil det være muligt at teste ikke kun elektrisk strøm, men også andre store genstande af ny teknologi med hensyn til modstand mod virkningerne af strøm og elektromagnetisk lynfelt: atomkraftværker, telekommunikationsudstyr, missilsystemer osv.

Jeg vil gerne afslutte artiklen med en større note, især da der er grunde til dette. Idriftsættelse af en fuldtids testfacilitet gør det muligt objektivt at evaluere effektiviteten af ​​det mest avancerede beskyttelsesudstyr. Der er dog stadig en vis utilfredshed. Faktisk følger personen igen lynets ledelse og tvinges til at stille op med sin vilje, mens hun mister mange penge. Brug af lynbeskyttelsesmidler fører til en stigning i objektets størrelse og vægt, udgifterne til knappe materialer vokser.Paradoksale situationer er ret virkelige, når beskyttelsesudstyrets størrelse overstiger størrelsen for det beskyttede konstruktionselement. Teknisk folklore gemmer en kendt flydesigners svar på forslaget om at designe et absolut pålideligt fly: dette arbejde kan udføres, hvis kunden forener sig med den eneste ulempe ved projektet - flyet vil aldrig komme fra jorden. Der sker noget lignende i lynbeskyttelsen i dag. I stedet for en offensiv har eksperter et cirkulært forsvar. For at bryde ud af den onde cirkel, skal du forstå mekanismen til dannelsen af ​​lynbanen og finde midler til at kontrollere denne proces på grund af svage eksterne påvirkninger. Opgaven er vanskelig, men langt fra håbløs. I dag er det tydeligt, at lyn, der bevæger sig fra en sky til jorden, aldrig rammer et jordobjekt: fra dets top mod et nærliggende lyn vokser en gnistkanal, den såkaldte møtende leder. Afhængig af objektets højde strækker den sig i titusinder af meter, nogle gange flere hundrede og møder lynet. Naturligvis forekommer denne “dato” ikke altid - lynet kan gå glip af.

Men det er helt åbenlyst: jo før den møtende leder opstår, jo længere vil han gå videre til lynet og derfor, jo flere er chancerne for dem at møde. Derfor er du nødt til at lære, hvordan man "bremser" gnistkanalerne fra beskyttede genstande og omvendt at stimulere fra lynledere. Årsagen til optimisme er inspireret af de meget svage eksterne elektriske felter, hvor lynet dannes. I tordenvejr er et felt nær jorden ca. 100-200 V / cm - omtrent det samme som på overfladen af ​​en elektrisk ledning i et strygejern eller en barbermaskine. Da lynet er tilfreds med en sådan lillehed, betyder det, at påvirkningerne, der styrer det, kan være lige så svage. Det er kun vigtigt at forstå på hvilket tidspunkt og i hvilken form de skal serveres. Foran er et svært, men interessant forskningsarbejde.

Akademiker Vladimir FORTOV, Joint Institute for High Temperature Physics RAS, Doctor in Technical Sciences Eduard BAZELYAN, Energy Institute opkaldt efter GM Krzyżanowski.