Hogyan lehet megvédeni magát a villámcsapástól?

A villám mindig felébresztette az ember képzeletét és vágyát a világ megismerésére. Tűzt hozott a földre, megbénítva azt, az emberek erősebbek lettek. Még nem számítunk ennek a félelmetes természeti jelenségnek a meghódítására, hanem "békés egymás mellett élést" szeretnénk. Végül is: minél tökéletesebb berendezést készítünk, annál veszélyesebb a légköri áram. A védelem egyik módja az, hogy előzetesen egy speciális szimulátor segítségével felmérjük az ipari létesítmények sebezhetőségét a villám jelenlegi és elektromágneses tere számára.

A költők és a művészek könnyedén szeretik a május eleji viharot. A villamosmérnök, jelző vagy űrhajós nem örül a viharszakasz kezdetétől: túl sok problémát ígér. Oroszország átlagosan négyzetkilométerenként évente átlagosan három villámcsapást okoz. Elektromos áramuk eléri a 30 000 A-ot, és a legerősebb kisüléseknél meghaladhatja a 200 000 A-t. A még ionizált plazmacsatorna hőmérséklete akár mérsékelt villámlás esetén is elérheti a 30.000 ° C-ot, amely többször magasabb, mint a hegesztőgép elektromos ívénél. És természetesen ez sok technikai eszköz esetében nem jó. A közvetlen villámlás okozta tüzek és robbanások jól ismertek a szakemberek számára. De a hétköznapi emberek egyértelműen eltúlozzák az ilyen események kockázatát.

Az Ostankino televíziós torony zászlórúdjának csúcsa. Láthatók az újraáramlás nyomai: A valóságban az „égi elektromos öngyújtó” nem olyan hatékony. Képzelje el: ha hurrikán közben próbál tüzet csinálni, amikor az erős szél miatt nehéz még a szalmát is meggyújtani. A villámcsatornából származó levegőáram még erősebb: kisülése sokkhullámot okoz, amelynek mennydörgéses zúgása megszakad és eloltja a lángot. Paradoxon, de a gyenge villám tűzveszélyt jelent, különösen akkor, ha körülbelül 100 A áram áramlik át a csatornán másodperces tizeddel (a szikra kisülés világában korosztályig!), Az utóbbi nem sokban különbözik egy ívtől, és egy elektromos ív mindent meggyújt, ami éghet.

Normál magasságú épületeknél azonban a villámcsapások nem gyakoriak. A tapasztalatok és az elmélet azt mutatják: három vonzóhoz közeli távolságból „vonzza” egy talajszerkezet. A tíz emeletes torony évente körülbelül 0,08 villámot gyűjt, azaz átlagosan 1 találat 12,5 működési év alatt. A tetőtéri ház kb. 25-szer kisebb: átlagosan a tulajdonosnak kb. 300 évig kell várnia.

De ne csökkentsük a veszélyt. Valójában, ha a villámcsapás a 300–400 falusi házak közül legalább az egyiket érinti, a helyi lakosok valószínűleg nem fogják ezt az eseményt jelentéktelennek tartani. Vannak azonban sokkal hosszabb tárgyak - mondjuk az elektromos vezetékek (NEP). Hosszuk meghaladhatja a 100 km-t, a magassága 30 m. Ez azt jelenti, hogy mindegyik jobbról és balról is ütéseket gyűjt, 90 m széles szalagokkal. A villámhúzás teljes területe meghaladja a 18 km2-t, számuk évente 50. A vonal acél tartói természetesen nem égnek ki, a huzalok nem olvadnak el. A villám évente kb. 30-szor csap fel az Ostankino TV-torony (Moszkva) zászlórúdjának végére, de semmi szörnyű nem történik. És annak megértése érdekében, hogy miért veszélyesek az energiavezetékekre, meg kell ismernie az elektromos, nem pedig a termikus hatások természetét.

A VILÁGÍTÁS FŐ SZEREPE

Amikor az elektromos vezeték tartójába ütköznek, az áram a talajba áramlik a föld ellenállásán keresztül, amely általában 10-30 ohm. Ugyanakkor Ohm törvénye még a „közepes” villám is, 30 000 A árammal, 300–900 kV feszültséget teremt, és többször is nagyobb teljesítményt nyújt. Tehát vannak villámlások. Ha elérték a megavolt szintet, az elektromos vezetékek szigetelése nem áll fel és áttör. Rövidzárlat lép fel. A vonal leválasztva. Még rosszabb, ha egy villámcsatorna közvetlenül a vezetékekhez szakad.Akkor a túlfeszültség nagyságrenddel nagyobb, mint a tartó sérülése esetén. A jelen jelenség elleni küzdelem ma továbbra is nehéz feladat az villamosenergia-ipar számára. Sőt, a technológia fejlesztésével a komplexitása csak növekszik.

Az Ostankino TV-torony villámcsapásként működött, és elmulasztotta a villámcsapást 200 méter alatt a csúcs alatt. Az emberiség gyorsan növekvő energiaigényének kielégítése érdekében a modern erőműveket nagy teljesítményű rendszerekké kell kombinálni. Oroszországban egységes energiarendszer működik: valamennyi létesítménye összekapcsoltan működik. Ezért akár egy erőátviteli vonal vagy erőmű véletlen meghibásodása olyan súlyos következményekhez vezethet, mint amilyeneket 2005 májusában Moszkvában tapasztaltunk. A világon sok villámlás által okozott rendszer balesetet észleltek. Az egyik - az Egyesült Államokban 1968-ban - több milliárd dolláros károkat okozott. Aztán villámcsapás kikapcsolta az egyik tápvezetéket, és az energiaellátó rendszer nem tudta megbirkózni a felmerült energiahiánnyal.

Nem meglepő, hogy a szakemberek kellő figyelmet fordítanak az elektromos vezetékek villámvédelemre. A 110 kV vagy annál nagyobb feszültségű vezetékek teljes hossza mentén speciális fémkábelek vannak felfüggesztve, amelyek megpróbálják megvédeni a vezetékeket a fentről való közvetlen érintkezéstől. Szigetelésük maximális, a tartók földelési ellenállása rendkívül alacsony, és a túlfeszültségek korlátozására olyan félvezető eszközöket használnak, mint például a számítógépek vagy a kiváló minőségű tévék bemeneti áramköreit védő eszközök. Igaz, hogy hasonlóságuk csak a működés alapelveiben rejlik, de a lineáris korlátozók működési feszültségét becsülték több millió voltban - értékelje meg a villámvédelem költségeinek skáláját!

Az emberek gyakran azt kérdezik, lehet-e megvalósítani egy teljesen villámálló vonalat? A válasz igen. De itt két új kérdés elkerülhetetlen: kinek kell, és mennyibe kerül? Valójában, ha lehetetlen megrongálni egy megbízhatóan védett távvezetéket, akkor például hamis parancsot lehet létrehozni a vonal leválasztására vagy egyszerűen elpusztítani az alacsony feszültségű automatizáló áramköröket, amelyek a modern kialakításban a mikroprocesszoros technológiára épülnek. A forgács működési feszültsége minden évben csökken. Manapság voltos egységben számolják. Itt van hely a villámláshoz! És nincs szükség közvetlen sztrájkra, mert távolról és azonnal haladhat nagy területeken. Fő fegyvere az elektromágneses mező. A villámáramról már említettük, bár mind az áram, mind annak növekedési sebessége fontos a mágneses indukció elektromotoros erejének felméréséhez. Villámlás esetén az utóbbi meghaladhatja a 2 1011 A / s-ot. Bármely olyan áramkörben, amelynek 1 m 2 -es területe 100 m-re van a villámcsatornától, egy ilyen áram körülbelül kétszer olyan magas feszültséget indukál, mint egy lakóépület kimenetein. Nem igényel sok képzelet, hogy elképzelje az egy voltos nagyságrendű feszültségre tervezett mikrochip sorsát.

A világ gyakorlatában sok súlyos baleset van a villámszabályozó áramkörök megsemmisülése miatt. Ez a lista tartalmazza a repülőgépek és az űrhajók fedélzeti berendezéseinek sérüléseit, a nagyfeszültségű vezetékek teljes „csomagjainak” hamis leállítását és az antenna-mobil kommunikációs rendszerek berendezéseinek meghibásodását. Sajnos itt egy figyelemre méltó helyet elfoglalnak a hétköznapi polgároknak a háztartási készülékek által okozott „kár” is, amelyek egyre inkább kitöltik otthonainkat.

VÉDELEM

Megszoktuk a villámvédelmet. Emlékszel a XVIII. Század nagy tudósának, Mikhail Lomonosov akadémikusnak a találmányukról szóló ígéretéről? Híres honfitársunk örült a győzelemnek, azt mondta, hogy a mennyei tűz már nem veszélyes. Természetesen ez a lakóépület tetőjén lévő készülék nem engedi, hogy a villámok fapadlót vagy más éghető építőanyagokat tüzet gyújtsanak. Az elektromágneses hatások szempontjából tehetetlen. Nincs különbség abban, hogy a villámáram a csatornájában vagy a villámrúd fémrúdján áramlik-e, ennek ellenére gerjeszt egy mágneses teret és veszélyes feszültséget indukál a belső elektromos áramkörök mágneses indukciója miatt. A hatékony küzdelemhez villámrúdra van szükség a kisülőcsatorna elfogásához a védett tárgy távoli megközelítésekor, azaz nagyon magasra válnak, mivel az indukált feszültség fordítottan arányos az áramvezető távolságával.

Ma nagy tapasztalatok nyerhetők a különböző magasságú struktúrák felhasználásával.A statisztikák azonban nem nagyon megnyugtatóak. A rúd villámrúd védőzónáját általában kúp formájában mutatják be, amelynek tengelye van, de a csúcspontja kissé alacsonyabb, mint a felső vége. Általában egy 30 méteres „mag” 99% -kal biztosítja az épületvédelmet, ha kb. 6 méterrel magasabbra emelkedik. Ennek elérése nem jelent problémát. A villámhárító magasságának növekedésével azonban gyorsan növekszik a távolság a tetejétől a „fedett” tárgyig, ami a kielégítő védelemhez minimális. Ugyanazon megbízhatóságú 200 méteres szerkezetnél ez a paraméter már meghaladja a 60 métert, és egy 500 méteres szerkezetnél - 200 métert.

A fent említett Ostankino TV-torony szintén hasonló szerepet játszik: nem képes megvédeni magát, 200 m távolságban villámcsapást hajt végre a csúcs alatt. A magas villámhárítók védettségi szintje a talaj szintjén szintén hirtelen növekszik: egy 30 méteres magasságához hasonló, ugyanahhoz a TV-toronyhoz - magasságának 1/5 része.

Más szavakkal, nem remélhetjük, hogy a hagyományos kivitelű villámrúd képes lesz elfogni a villámot az objektum távoli megközelítésekor, különösen, ha ez nagy területet foglal el a föld felszínén. Ez azt jelenti, hogy számolnunk kell az villámlás valódi valószínűségével az erőművek és alállomások, repülőterek, folyékony és gáz-halmazállapotú tüzelőanyag-raktárak, kiterjesztett antennamezők területére. A talajban terjedő villámáram részben bejut a modern műszaki tárgyak számos föld alatti kommunikációjába. Általános szabály, hogy vannak automatizálási, vezérlési és információfeldolgozó rendszerek áramkörei - a fent említett mikroelektronikai eszközök. Mellesleg, a föld áramának kiszámítása a legegyszerűbb megfogalmazás esetén is bonyolult. A nehézségeket súlyosbítja a legtöbb talaj ellenállásában bekövetkező erőteljes változások, a bennük terjedő kiloampere-áramok erősségétől függően, amelyek csak a légköri elektromos kisülésekre jellemzőek. Ohm törvénye nem vonatkozik az ilyen nemlineáris ellenállású áramkörök kiszámítására.

A talaj "nemlinearitásához" hozzáadódik a kiterjesztett szikracsatornák kialakulásának valószínűsége. A kábelvonalak javító személyzete jól ismeri ezt a képet. Az erdei szélén egy magas fától a föld felé húzódik egy barázda, mintha eke vagy egy régi eke lenne, és közvetlenül a helyszínen sérült földalatti telefonkábel nyomvonalán szakad el - a fém hüvely gyűrött, a magok szigetelése megsemmisül. Így megjelent a villám hatása. Megütött egy fát, és annak áramlása, amely a gyökerek mentén terjedt, erős elektromos mezőt hozott létre a talajban, és plazma szikracsatornát képezött benne. Valójában a villám folytatta fejlődését, nemcsak a levegőn keresztül, hanem a földön is. Így tucatnyi, és különösen rosszul vezető áramú talajon (sziklás vagy időszaki fagy) és több száz méter áthaladhat. Az objektumra való áttörést nem a hagyományos módon hajtják végre - felülről, hanem minden villámrúd alulról történő megkerülésével. A talajfelszín mentén csúszó kiürülések jól reprodukálhatók a laboratóriumban. Mindezek a bonyolult és erősen nemlineáris jelenségek kísérleti kutatást, modellezést igényelnek.

A kisülés létrehozására szolgáló áramot mesterséges impulzusforrás hozhatja létre. Körülbelül egy percig felhalmozódik az energia egy kondenzátorban, majd egy tucat mikrosekundum alatt a talajba ömlik. Az ilyen kapacitív hajtások számos nagyfeszültségű kutatóközpontban vannak. Méretek tíz métert elérnek, tömeg - tíz tonna. Nem szállíthatja ezeket villamos alállomás vagy más ipari létesítmény területére annak érdekében, hogy teljes mértékben megismételje a villámáramok terjedésének feltételeit. Ez csak véletlenszerűen lehetséges, ha az objektum egy nagyfeszültségű állvánnyal szomszédos - például a Szibériai Energiaügyi Kutatóintézet nyitott telepítésénél egy impulzusos nagyfeszültségű generátort helyeznek el a 110 kV-os távvezeték mellé. De ez természetesen kivétel.

Villám szimulátor

Valójában ez nem egy egyedi kísérlet, hanem egy szokásos helyzet.A szakembereknek nagyon szükségük van a villámáram teljes méretű szimulációjára, mivel ez az egyetlen módja annak, hogy megbízható képet kapjunk a földfelszíni közművekben zajló áramok eloszlásáról, megmérjük az elektromágneses mező mikroprocesszoros eszközökre gyakorolt ​​hatásait és meghatározzuk a csúszó szikracsatornák terjedésének természetét. A megfelelő teszteknek széles körben elterjedtnek kell lenniük, és azokat minden alapvetően új felelősségteljes műszaki létesítmény üzembe helyezése előtt el kell végezni, amint ezt a repülés és az űrhajózás területén már régóta megtették. Manapság nincs más lehetőség, mint egy erős, de kicsi és mobil impulzusáram forrása létrehozása villámáram-paraméterekkel. Prototípusa már létezik, és 2005 szeptemberében sikeresen tesztelték a Donino alállomáson (110 kV). Az összes berendezést a soros Volga gyári pótkocsijában helyezték el.

A mobil tesztkomplexum egy olyan generátoron alapul, amely a robbanás mechanikai energiáját elektromos energiává alakítja. Ez a folyamat általában jól ismert: bármilyen elektromos gépen zajlik, ahol a mechanikus erő meghajtja a forgórészt, ellentétben állva az állórész mágneses mezőjével való kölcsönhatásának erővel. Az alapvető különbség az, hogy a robbanás során rendkívül magas az energiafelszabadulás, amely gyorsan felgyorsítja a tekercs belsejében lévő fém dugattyút (bélést). Mikrosekundumban elmozdítja a mágneses teret, nagyfeszültségű gerjesztést biztosítva egy impulzus transzformátorban. Az impulzus transzformátorral történő további erősítés után a feszültség áramot generál a teszt tárgyban. Ennek az eszköznek a gondolata kiemelkedő honfitársunk, a hidrogénbomba "atyja", az A.D. Szaharov.

Egy speciális nagy szilárdságú kamrában történt robbanás csak egy 0,5 m hosszú tekercset és egy benne levő bélést pusztít el. A generátor fennmaradó elemeit ismételten felhasználjuk. Az áramkört úgy lehet beállítani, hogy a generált impulzus növekedési sebessége és időtartama megegyezzen a hasonló villámáram-paraméterekkel. Ezenkívül lehetőség van egy nagy hosszúságú objektumba, például vezetékbe vezetni az erőátviteli vonal támaszai között, a modern alállomás földhurokjába vagy a repülőgép törzsébe.

A prototípus generátor mintájának tesztelésekor csak 250 g robbanóanyagot helyezett a kamrába. Ez elegendő egy 20 000 A-es amplitúdójú impulzus kialakításához. Ugyanakkor először nem voltak ilyen radikális hatások - az áramot mesterségesen korlátozták. A telepítés kezdetén csak egy robbantott fel a robbantó kamera. Aztán a digitális oszcilloszkópok feljegyzései, amelyeket ellenőriztek, megmutatták: az adott paraméterrel ellátott áramimpulzust sikeresen bevezetik az alállomás villámvezetőjébe. Az érzékelők észlelték az áramszünetet a földhurok különböző pontjain.

A teljes munkaidős komplexum jelenleg az előkészítés folyamatában van. A villámáramok teljes körű szimulálására hangolódik, és egyidejűleg a soros teherautó hátuljába helyezik. A generátor robbanókamráját úgy tervezték, hogy 2 kg robbanóanyaggal működjön. Minden oka van azt hinni, hogy a komplexum univerzális lesz. Segítségével nem csak az elektromos energiát, hanem az új berendezések más, nagyméretű tárgyait is meg lehet vizsgálni a villám jelenlegi és elektromágneses tere hatásainak ellenállása érdekében: atomerőművek, telekommunikációs eszközök, rakétarendszerek stb.

Szeretném befejezni a cikket egy fontos megjegyzés mellett, különösen mivel ennek okai vannak. A teljes munkaidős vizsgálati létesítmény üzembe helyezése lehetővé teszi a legfejlettebb védőeszközök hatékonyságának objektív értékelését. Néhány elégedetlenség azonban továbbra is fennáll. Valójában az ember ismét a villámlás vezetését követi el, és kénytelen megbánni a szándékával, miközben sok pénzt veszít. A villámvédelmi eszközök használata növeli a tárgy méretét és súlyát, a szűkös anyagok költségei növekednek.A paradox helyzet akkor igaz, ha a védőfelszerelés mérete meghaladja a védett szerkezeti elem méretét. A műszaki folklór tárolja egy ismert repülőgép-tervező válaszát egy abszolút megbízható repülőgép tervezési javaslatára: ezt a munkát akkor lehet elvégezni, ha az ügyfél megbékél a projekt egyetlen hátrányával - a repülőgép soha nem száll le a földről. Valami hasonló történik a villámvédelemben ma. A támadó helyett a szakértők körkörös védelmet tartanak. Az ördögi körből való kitöréshez meg kell értenie a villámpálya kialakulásának mechanizmusát és meg kell találnia az eszközét ennek a folyamatnak a vezérlésére a gyenge külső behatások miatt. A feladat nehéz, de messze nem reménytelen. Manapság egyértelmű, hogy a felhőből a földbe mozgó villám soha nem üt meg egy földi tárgyat: a tetejéről egy közeledő villám felé egy szikracsatorna nő, az ún. Közeledő vezető. A tárgy magasságától függően tíz méter, néha több száz méterre húzódik, és villámlásnak felel meg. Természetesen ez a „dátum” nem mindig fordul elő - a villám hiányozhat.

De ez teljesen nyilvánvaló: minél hamarabb felbukkan a felbukkanó vezető, annál tovább halad előre a villámláshoz, és annál nagyobb esélye van arra, hogy találkozzanak. Ezért meg kell tanulnia, hogyan lehet "lelassítani" a szikracsatornákat a védett tárgyaktól, és fordítva, hogyan kell stimulálni a villámvezetők által. Az optimizmus okát azok a nagyon gyenge külső elektromos mezők inspirálják, amelyekben villám alakul ki. Zivatarok esetén a föld közelében lévő mező körülbelül 100-200 V / cm - nagyjából megegyezik a vas vagy az elektromos borotva elektromos vezetékének felületén. Mivel a villám elégedett ilyen kicsivel, ez azt jelenti, hogy a befolyásoló hatások ugyanolyan gyengék lehetnek. Csak az a fontos, hogy megértsük, mikor és milyen formában kell azokat kiszolgálni. Ahead egy nehéz, de érdekes kutatási munka.

Vladimir FORTOV akadémikus, a RAS Közös Hőmérsékletű Fizikai Intézet, műszaki tudományok doktora Eduard BAZELYAN, az elnevezett Energia Intézet GM Krzyżanowski.