Kako se zaštititi od munje

Munja je uvijek budila čovjekovu maštu i želju za upoznavanjem svijeta. Ona je donijela vatru na zemlju, pripisavši tome, ljudi su postali snažniji. Još ne računamo na osvajanje ovog nevjerojatnog prirodnog fenomena, već bismo željeli "miran suživot". Uostalom, što savršenija oprema koju stvaramo to je opasniji atmosferski elektricitet za nju. Jedna od metoda zaštite je preliminarno, koristeći poseban simulator, procijeniti ranjivost industrijskih postrojenja na strujno i elektromagnetsko polje munje.

Voljeti oluju početkom svibnja pjesnicima i umjetnicima je lako. Inženjer energije, signalista ili astronaut neće biti oduševljen od početka gromoglasne sezone: obećava previše problema. U prosjeku, svaki kvadratni kilometar Rusije godišnje ima oko tri udara munje. Njihova električna struja doseže 30 000 A, a za najmoćnije pražnjenje može preći 200 000 A. Temperatura u dobro ioniziranom plazma kanalu čak i umjerenih munje može doseći 30 000 ° C, što je nekoliko puta više nego u električnom luku aparata za zavarivanje. I naravno, to ne predstavlja dobro za mnoge tehničke sadržaje. Požari i eksplozije izravnih munja dobro su poznati stručnjacima. Ali obični ljudi očito preuveličavaju rizik takvog događaja.

Vrh zastave televizijske kule Ostankino. Vidljivi su tragovi zapaljenja, a u stvarnosti "nebeski električni upaljač" nije tako učinkovit. Zamislite: pokušavate zapaliti požar tijekom uragana, kada je zbog jakog vjetra teško zapaliti čak i suhu slamu. Zračni tok iz kanala munje još je snažniji: njegovo pražnjenje stvara udarni val, čiji gromoglasni zvuk razbija i gasi plamen. Paradoks, ali slaba munja opasna je od požara, pogotovo ako struja od oko 100 A prolazi kroz njen kanal desetina sekunde (za vijeke u svijetu iskričavanja!), Potonji se ne razlikuje mnogo od luka, a električni luk će zapaliti sve što može izgorjeti.

Međutim, za zgradu normalne visine udarci munje nisu česta pojava. Iskustvo i teorija pokazuju: privlači ga prizemna građevina s udaljenosti koja je blizu njegove tri visine. Desetospratni toranj prikupit će godišnje oko 0,08 munje, tj. prosječno 1 pogodak u 12,5 godina rada. Vikendica s potkrovljem je oko 25 puta manja: vlasnik će u prosjeku morati "čekati" oko 300 godina.

Ali nemojmo umanjiti opasnost. Doista, ako munja pogodi barem jednu od 300-400 seoskih kuća, lokalni stanovnici vjerojatno ovaj događaj neće smatrati beznačajnim. Ali postoje objekti mnogo veće duljine - recimo, dalekovodi (NEP). Njihova duljina može biti i veća od 100 km, njihova visina je 30 m. To znači da će svaki od njih sakupljati udarce s desne i lijeve strane, s trakama širine 90 m. Ukupna površina gromobranstva će biti veća od 18 km2, a njihov broj je 50 godišnje. Naravno, čelični nosači linije neće izgorjeti, žice se neće rastopiti. Munja udara oko 30 puta godišnje na vrh zastave TV kule Ostankino (Moskva), ali ne događa se ništa strašno. A da biste shvatili zašto su opasni za dalekovode, morate znati prirodu električnih, a ne toplinskih učinaka.

GLAVNA SNAGA SVJETLOSTI

Kad se udari u potporu električne mreže, struja teče u zemlju kroz otpor tla, koji je, u pravilu, 10-30 Ohma. U isto vrijeme Ohmov zakon čak i "srednje" munje, sa strujom od 30 000 A, stvaraju napon od 300-900 kV, a snažne - nekoliko puta više. Dakle, postoje munje. Ako dostignu razinu megavolta, izolacija dalekovoda ne može izdržati i probiti se. Dolazi do kratkog spoja. Linija je isključena. Još gore, kada se kanal munje probija izravno do žica.Tada je prenaponski rad veličine veće nego kod oštećenja na nosaču. Borba protiv ove pojave i danas ostaje težak zadatak za elektroenergetsku industriju. Štoviše, s poboljšanjem tehnologije njegova složenost samo raste.

Ostankino TV kula djelovala je kao gromobrana propuštajući udar munje 200 metara ispod vrha. Da bi zadovoljili brzo rastuće energetske potrebe čovječanstva, moderne elektrane moraju se kombinirati u moćne sustave. U Rusiji sada djeluje jedinstveni energetski sustav: svi su njegovi pogoni povezani međusobno. Stoga, slučajni ispad čak niti jednog dalekovoda ili elektrane može dovesti do ozbiljnih posljedica sličnih onima koje su se dogodile u Moskvi u svibnju 2005. Mnogo nesreća u sustavu uzrokovanih gromovima zabilježeno je u svijetu. Jedan od njih - u SAD-u 1968., nanio je višemilionsku štetu. Tada je munje isključilo jedan dalekovod, a elektroenergetski sustav nije se mogao nositi s energetskim deficitom koji je nastao.

Nije iznenađujuće da stručnjaci posvećuju dužnu pozornost zaštiti dalekovoda od munje. Posebni metalni kabeli vise se duž cijele duljine nadzemnih vodova naponom 110 kV i više, pokušavajući zaštititi žice od izravnog kontakta odozgo. Njihova je izolacija maksimalna, otpornost na uzemljenje nosača je izuzetno smanjena, a poluvodički uređaji, poput onih koji štite ulazne krugove računala ili visokokvalitetnih televizora, koriste se za ograničavanje prenapona. Istina, njihova je sličnost samo u principu rada, ali napon rada za linearne graničnike procjenjuje se u milijunima volti - procijenite razmjere troškova zaštite od groma!

Ljudi se često pitaju je li izvedivo dizajnirati apsolutno vodootpornu liniju? Odgovor je da. No, ovdje su neizbježna dva nova pitanja: kome je to potrebno i koliko će to koštati? Doista, ako je nemoguće oštetiti pouzdano zaštićeni dalekovod, tada je, primjerice, moguće stvoriti lažnu naredbu za isključivanje linije ili jednostavno uništenje krugova za automatizaciju niskog napona, koji su u modernom dizajnu izgrađeni na mikroprocesorskoj tehnologiji. Radni napon čipsa opada svake godine. Danas se izračunava u jedinicama volti. Tu ima mjesta za munje! I nema potrebe za izravnim udarcem, jer je u stanju djelovati daljinski i odmah na velikim površinama. Njegovo glavno oružje je elektromagnetsko polje. Gore je spomenuto o struji munje, iako su i struja i njena brzina rasta važni za procjenu elektromotorne sile magnetske indukcije. U slučaju munje, posljednja može prelaziti 2 • 1011 A / s. U bilo kojem krugu s površinom od 1 m2 na udaljenosti 100 m od gromobrana, takva struja inducira napon koji je približno dvostruko veći nego na izlazima stambene zgrade. Ne treba puno mašte da zamislite sudbinu mikročipova dizajniranih za napon veličine jednog volta.

U svjetskoj praksi postoji mnogo ozbiljnih nesreća zbog uništenja upravljačkih krugova groma. Ovaj popis uključuje oštećenja na brodskoj opremi aviona i svemirskih letjelica, lažno zatvaranje cijelih "paketa" visokonaponskih dalekovoda i kvar opreme antenskih mobilnih komunikacijskih sustava. Nažalost, ovdje primjetno mjesto zauzima „šteta“ džepa običnih građana zbog oštećenja kućanskih aparata, koja sve više puni naše domove.

PUTOVI ZAŠTITE

Navikli smo se oslanjati na zaštitu od munje. Sjećate se ode velikom znanstveniku iz XVIII stoljeća, akademiku Mihailu Lomonosovu o njihovom izumu? Naš poznati sunarodnjak oduševljen pobjedom rekao je da je nebeska vatra prestala biti opasna. Naravno, ovaj uređaj na krovu stambene zgrade neće dopustiti munje da zapale drveni pod ili druge zapaljive građevinske materijale. Što se tiče elektromagnetskih učinaka, on je nemoćan. Nije bitno da li struja munje teče u njenom kanalu ili kroz metalnu šipku gromobrana, ona ipak pobuđuje magnetsko polje i izaziva opasni napon zbog magnetske indukcije u unutarnjim električnim krugovima. Da bi se to učinkovito borilo, potrebna je gromobrana da presiječe kanal pražnjenja na udaljenim prilazima zaštićenom objektu, tj. postaju vrlo visoki, jer je inducirani napon obrnuto proporcionalan udaljenosti do strujnog vodiča.

Danas je stečeno veliko iskustvo u korištenju takvih konstrukcija različitih visina.Međutim, statistika nije baš ugodna. Zona zaštite šipke od groma obično je predstavljena u obliku stošca, čija je os, ali s vrhom smještenim malo niže od gornjeg kraja. Obično 30-metarska „jezgra“ pruža 99% pouzdanosti zaštite zgrada ako se izdiže oko 6 metara iznad nje, a to nije problem. Ali s povećanjem visine gromobrana, udaljenost od njegovog vrha do "prekrivenog" objekta, najmanja nužna za zadovoljavajuću zaštitu, brzo raste. Za 200-metarsku strukturu istog stupnja pouzdanosti, ovaj parametar već prelazi 60 m, a za konstrukciju od 500 metara - 200 m.

Spomenuta Ostankino TV kula također igra sličnu ulogu: nije se sposobna zaštititi, nedostaje udara munje na udaljenosti od 200 m ispod vrha. Polumjer zaštitne zone na razini tla za gromobrane također se naglo povećava: za 30-metarski to je usporediva s njegovom visinom, za isti TV toranj - 1/5 njegove visine.

Drugim riječima, ne možemo se nadati da će gromobrani tradicionalnog dizajna moći presresti munje na udaljenim prilazima objektu, pogotovo ako ovaj zauzima veliko područje na zemlji. To znači da se moramo s obzirom na stvarnu vjerojatnost izbijanja munje na teritorij elektrana i podstanica, zračnih polja, skladišta tekućih i plinovitih goriva i proširenih antenskih polja. Šireći se tlom, struja munje djelomično ulazi u brojne podzemne komunikacije modernih tehničkih postrojenja. U pravilu postoje električni krugovi sustava za automatizaciju, kontrolu i obradu informacija - sami mikroelektronski uređaji koji su gore spomenuti. Usput, izračunavanje struja u zemlji je komplicirano čak i u najjednostavnijoj formulaciji. Poteškoće se pogoršavaju zbog snažnih promjena u otpornosti većine tla, ovisno o jačini kiampere struje koja se širi u njima, a koja su karakteristična samo za atmosferska pražnjenja električne energije. Ohmov zakon ne odnosi se na proračun krugova s ​​takvim nelinearnim otporima.

"Nelinearnosti" tla dodaje se vjerojatnost stvaranja u njemu proširenih iskrećih kanala. Posade za popravak kablovskih vodova dobro su upoznate s takvom slikom. Brazda se proteže uz zemlju s visokog stabla na šumskom rubu, kao da iz pluga ili starog orada, i razbija se tik iznad traga podzemnog telefonskog kabela koji je na ovom mjestu oštećen - metalni omotač je zgužvan, izolacija jezgara je uništena. Tako se pojavio učinak munje. Udarila je u stablo, a njegova struja, koja se širila duž korijena, stvorila je u zemlji snažno električno polje, u njemu je formirala kanal za plazmu iskra. U stvari, munja je nastavila svoj razvoj, i to ne samo kroz zrak, već i u zemlji. I tako može proći na desetke, a na posebno loše vodećim strujama tla (kamenita ili permafrost) i stotine metara. Proboj prema objektu ne provodi se na tradicionalan način - odozgo, već zaobilazeći bilo kakve gromobrane odozdo. Klizni ispusti duž površine tla dobro se reproduciraju u laboratoriju. Sve ove složene i krajnje nelinearne pojave trebaju eksperimentalna istraživanja, modeliranje.

Struja za stvaranje pražnjenja može se stvoriti umjetno pulsnim izvorom. Energija se akumulira u banci kondenzatora za otprilike minutu, a zatim se u desetak mikrosekundi „izlije“ u bazen s tlom. Takvi kapacitivni pogoni postoje u mnogim istraživačkim centrima visokog napona. Njihove dimenzije dosežu nekoliko desetaka metara, masa - desetke tona. Ne možete ih isporučiti na područje električne trafostanice ili drugog industrijskog postrojenja kako biste u potpunosti reproducirali uvjete za širenje struje groma. To je moguće samo slučajno, kada se objekt nalazi uz visokonaponski stalak - na primjer, u otvorenoj instalaciji Sibirskog istraživačkog instituta za energiju, impulsni visokonaponski generator postavljen je pored dalekovoda 110 kV. Ali to je, naravno, izuzetak.

Simulator za munje

Zapravo, to ne bi trebao biti jedinstveni eksperiment, već obična situacija.Stručnjaci imaju ozbiljnu potrebu za cjelovitom simulacijom struje munje, jer je to jedini način da se dobije pouzdana slika raspodjele struje u podzemnim komunalnim programima, izmjere učinci elektromagnetskog polja na mikroprocesorske uređaje i utvrde priroda širenja kliznih kanala iskre. Odgovarajući testovi trebali bi postati rašireni i provesti ih prije puštanja u pogon svakog temeljno novog odgovornog tehničkog postrojenja, kao što je to već dugo učinjeno u zrakoplovstvu i astronautici. Danas nema druge mogućnosti nego stvoriti snažan, ali mali i mobilni izvor pulsnih struja s parametrima struje munje. Njegov prototip model već postoji i uspješno je testiran u trafostanici Donino (110 kV) u rujnu 2005. Sva oprema bila je smještena u tvorničkoj prikolici iz serijske Volge.

Mobilni testni kompleks temelji se na generatoru koji mehaničku energiju eksplozije pretvara u električnu. Ovaj je postupak općenito dobro poznat: odvija se u bilo kojem električnom stroju, gdje mehanička sila pokreće rotor, suprotstavljajući se silini njegove interakcije s magnetskim poljem statora. Temeljna razlika je izuzetno velika brzina oslobađanja energije tijekom eksplozije, koja brzo ubrzava metalni klip (košuljicu) unutar zavojnice. Pomiče magnetsko polje u mikrosekundama, pružajući visokonaponsko uzbuđenje u impulsnom transformatoru. Nakon dodatnog pojačanja impulsnim transformatorom, napon stvara struju u ispitnom objektu. Ideja ovog uređaja pripada našem izvanrednom sunarodnjaku, "ocu" vodikove bombe, akademiku A.D. Saharov.

Eksplozija u posebnoj komori visoke čvrstoće uništava samo zavojnicu dugu 0,5 m i unutarnju oblogu. Preostali elementi generatora koriste se više puta. Krug se može podesiti tako da brzina rasta i trajanje generiranog impulsa odgovaraju sličnim parametrima struje munje. Štoviše, moguće ga je „ugurati“ u objekt velike duljine, na primjer, u žicu između nosača dalekovoda, u uzemljenje moderne trafostanice ili u trupac zrakoplova.

Prilikom ispitivanja uzorka generatora prototipa, u komoru je stavljeno samo 250 g eksploziva. To je dovoljno za formiranje strujnog impulsa s amplitudom do 20 000 A. Međutim, prvi put nisu krenuli za tako radikalnim učinkom - struja je bila umjetno ograničena. Na početku instalacije samo je lagano iskakanje eksplozivne kamere. A zatim su provjerene snimke digitalnih osciloskopa pokazale: strujni impuls sa zadanim parametrima uspješno je uveden u gromobranski vod podstanice. Senzori su primijetili porast struje u različitim točkama uzemljenja.

Sada je kompletan kompleks u tijeku pripreme. Bit će prilagođen punoj razmjeri simulacije struje groma, a u isto vrijeme će biti postavljen u stražnji dio serijskog kamiona. Eksplozivna komora generatora dizajnirana je za rad s 2 kg eksploziva. Postoji svaki razlog da vjerujem da će kompleks biti univerzalan. Uz njegovu pomoć bit će moguće testirati ne samo električnu energiju, već i druge velike objekte nove opreme na otpornost na efekte struje i elektromagnetskog polja munje: nuklearne elektrane, telekomunikacijske uređaje, raketni sustav itd.

Želim završiti članak na važnoj bilješci, pogotovo jer za to postoje razlozi. Puštanjem u pogon laboratorija za puni radni vremenski period omogućiti će se objektivno ocjenjivanje učinkovitosti najsavremenije zaštitne opreme. Ipak, još uvijek ostaje određeno nezadovoljstvo. U stvari, osoba opet slijedi oluju munje i prisiljena je da se pomiri sa svojom voljnošću, dok gubi puno novca. Upotreba sredstava za zaštitu od groma dovodi do povećanja veličine i težine predmeta, rastu troškovi oskudnih materijala.Paradoksalne su situacije sasvim stvarne kada veličine zaštitne opreme premašuju veličinu zaštićenog konstrukcijskog elementa. Tehnički folklor čuva odgovor poznatog dizajnera zrakoplova na prijedlog dizajniranja apsolutno pouzdane letjelice: ovaj se posao može obaviti ako se kupac pomiri s jedinom nedostatkom projekta - letjelica nikada neće spustiti zemlju. Nešto slično se danas događa u zaštiti od groma. Umjesto uvrede, stručnjaci drže kružnu obranu. Da biste izašli iz začaranog kruga, morate razumjeti mehanizam formiranja putanje munje i pronaći sredstva za kontrolu ovog procesa zbog slabih vanjskih utjecaja. Zadatak je težak, ali daleko od beznadnog. Danas je jasno da munja koja se kreće iz oblaka ka zemlji nikada ne udara u zemaljski objekt: s njegovog vrha prema približavajući se munji raste svjećnjak, takozvani vođa naprijed. Ovisno o visini predmeta, proteže se na nekoliko desetaka metara, ponekad i nekoliko stotina i susreće munje. Naravno, taj se „datum“ ne događa uvijek - munje mogu propustiti.

Ali to je sasvim očito: što prije dođe vođa nadolazećeg, to će se dalje napredovati u munje i, samim tim, veće su šanse da se sretnu. Stoga morate naučiti kako usporiti kanale iskre iz zaštićenih objekata i, obrnuto, stimulirati od gromobranskih vodiča. Razlog za optimizam potiču ona vrlo slaba vanjska električna polja u kojima se formiraju munje. Kod grmljavinskog nevremena polje blizu zemlje je oko 100-200 V / cm - otprilike isto kao i na površini električnog kabela željeza ili električnog brijača. Budući da se grom zadovoljava takvom malobrojnošću, to znači da utjecaji koji kontroliraju mogu biti jednako slabi. Važno je samo shvatiti u kojem se trenutku i u kojem obliku trebaju služiti. Pred nama je težak, ali zanimljiv istraživački rad.

Akademik Vladimir FORTOV, Zajednički institut za fiziku visokih temperatura RAS, doktor tehničkih znanosti Eduard BAZELYAN, Energetski institut GM Krzyzanowski.