Kaip apsisaugoti nuo žaibo

Žaibas visada žadino žmogaus vaizduotę ir norą pažinti pasaulį. Ji atnešė ugnį į žemę, sutramdžiusi kurią, žmonės tapo galingesni. Mes dar nesusimąstome dėl šio grėsmingo gamtos reiškinio užkariavimo, bet norėtume „taikaus sambūvio“. Galų gale, kuo tobulesnę įrangą mes sukuriame, tuo jai pavojingesnė atmosferos elektra. Vienas iš apsaugos būdų yra preliminarus, naudojant specialų treniruoklį, pramoninių objektų pažeidžiamumas esant dabartiniam ir elektromagnetiniam žaibo laukui.

Poetams ir menininkams lengva mylėti gegužės mėn. Audrą. Elektros inžinierius, signalininkas ar kosmonautas nuo griaustinio sezono pradžios nebus patenkinti: žada per daug nemalonumų. Vidutiniškai kiekviename Rusijos kvadratiniame kilometre per metus susidaro maždaug trys žaibo smūgiai. Jų elektros srovė siekia 30 000 A, o galingiausiems išmetimams ji gali viršyti 200 000 A. Temperatūra gerai jonizuotame net vidutinio žaibo plazmos kanale gali pasiekti 30 000 ° C, tai yra kelis kartus aukštesnė nei suvirinimo mašinos elektriniame lanke. Ir, be abejo, tai nėra daug techninių galimybių. Gaisrai ir sprogimai dėl tiesioginio žaibo yra gerai žinomi specialistams. Tačiau paprasti žmonės aiškiai perdeda tokio įvykio riziką.

Ostankino televizijos bokšto vėliavos stiebo viršūnė. Matomi pliūpsnio pėdsakai, iš tikrųjų „dangiškasis elektrinis žiebtuvėlis“ nėra toks efektyvus. Įsivaizduokite: jūs bandote padaryti ugnį uragano metu, kai dėl stipraus vėjo sunku uždegti net sausus šiaudus. Oro srautas iš žaibo kanalo yra dar galingesnis: jo išleidimas sukelia smūgio bangą, kurios griaustinis triukšmas nutrūksta ir užgesina liepsną. Paradoksas, tačiau silpnas žaibas kelia pavojų gaisrui, ypač jei jo kanalu sekundės dešimtosiomis dalimis teka maždaug 100 A srovė (amžiams kibirkšties išmetimo pasaulyje!), Pastarasis mažai kuo skiriasi nuo lanko, o elektrinis lankas uždegs viską, kas gali degti.

Tačiau normalaus aukščio pastate žaibolaidžiai nėra dažnas reiškinys. Patirtis ir teorija rodo: jį „traukia“ žemės struktūra iš arti trijų jos aukščių. Dešimties aukštų bokštas per metus surinks apie 0,08 žaibo, t. vidutiniškai 1 pataikymas per 12,5 veikimo metų. Kotedžas su mansarda yra apie 25 kartus mažesnis: vidutiniškai savininkui teks „laukti“ maždaug 300 metų.

Tačiau nesumenkinkime pavojaus. Iš tiesų, jei žaibas trenkia bent į vieną iš 300–400 kaimo namų, vargu ar vietiniai gyventojai laikys šį įvykį nereikšmingu. Tačiau yra daug ilgesnių objektų, tarkime, elektros linijų (NEP). Jų ilgis gali būti didesnis nei 100 km, jų aukštis - 30 m. Tai reiškia, kad kiekvienas iš jų surinks smūgius iš dešinės ir kairės, juostelėmis 90 m pločio. Bendras žaibo „traukimo“ plotas viršys 18 km2, jų skaičius yra 50 per metus. Žinoma, plieninės linijos atramos neišdegs, laidai neištirps. „Ostankino“ televizijos bokšto (Maskva) vėliavos stiebo viršūnėje žaibas trenkia apie 30 kartų per metus, tačiau nieko baisaus neįvyksta. Ir norint suprasti, kodėl jie pavojingi elektros linijoms, turite žinoti elektrinio, o ne šiluminio poveikio pobūdį.

PAGRINDINĖ APŠVIETIMO JĖGA

Kai atsitrenkia į elektros linijos atramą, srovė į žemę teka per žemės varžą, kuri, kaip taisyklė, yra 10–30 omų. Tuo pačiu metu Ohmo įstatymas net „vidutinis“ žaibas, kurio srovė yra 30 000 A, sukuria 300–900 kV įtampą, o galingas - kelis kartus daugiau. Taigi yra perkūnijos viršįtampių. Jei jie pasiekia megavoltų lygį, elektros perdavimo linijos izoliacija neatlaiko ir pralaužta. Atsiranda trumpasis jungimas. Linija atjungta. Dar blogiau, kai žaibo kanalas nutrūksta tiesiai prie laidų.Tada viršįtampis yra eilės laipsniu didesnis nei pažeidus atramą. Kova su šiuo reiškiniu elektros energijos pramonei tebėra sunki užduotis. Be to, tobulėjant technologijoms, jos sudėtingumas tik auga.

Ostankino televizijos bokštas veikė kaip žaibolaidis, praleidęs žaibo smūgį 200 metrų žemiau viršūnės. Kad patenkintų sparčiai augančius žmonijos energijos poreikius, šiuolaikinės elektrinės turi būti sujungtos į galingas sistemas. Dabar Rusijoje veikia vieninga energetikos sistema: visi jos įrenginiai veikia tarpusavyje. Todėl atsitiktinis net vienos elektros perdavimo linijos ar jėgainės gedimas gali sukelti rimtų padarinių, panašių į tai, kas nutiko 2005 m. Gegužės mėn. Maskvoje. Pasaulyje pastebėta daugybė sistemos žaibų sukeltų avarijų. Vienas iš jų - 1968 m. JAV, padarė milijonų dolerių žalą. Tuomet žaibo iškrova išjungė vieną elektros liniją, o elektros sistema negalėjo susidoroti su susidariusiu energijos deficitu.

Nenuostabu, kad specialistai deramą dėmesį skiria elektros linijų apsaugai nuo žaibo. Specialūs metaliniai kabeliai pakabinami per visą oro linijų ilgį, kai įtampa yra 110 kV ir didesnė, bandant apsaugoti laidus nuo tiesioginio kontakto iš viršaus. Jų izoliacija yra maksimali, atramų įžeminimo varžos yra labai sumažintos, o viršįtampiams apriboti naudojami puslaidininkiniai įtaisai, tokie kaip tie, kurie apsaugo kompiuterių ar aukštos kokybės televizorių įvesties grandines. Tiesa, jų panašumas yra tik veikimo principas, tačiau linijinių ribotuvų darbinė įtampa yra įvertinta milijonais voltų - įvertinkite apsaugos nuo žaibo sąnaudų skalę!

Žmonės dažnai klausia, ar įmanoma suprojektuoti absoliučiai žaibiškai atsparią liniją? Atsakymas yra taip. Tačiau čia neišvengiami du nauji klausimai: kam to reikia ir kiek tai kainuos? Iš tikrųjų, jei neįmanoma sugadinti patikimai apsaugotos elektros perdavimo linijos, tada, pavyzdžiui, galima suformuoti klaidingą komandą atjungti liniją arba tiesiog sunaikinti žemos įtampos automatikos grandines, kurios šiuolaikiniame dizaine yra pastatytos ant mikroprocesorių technologijos. Lustų darbinė įtampa kiekvienais metais mažėja. Šiandien jis apskaičiuojamas voltų vienetais. Štai kur yra vietos žaibui! Ir nereikia tiesioginio streiko, nes jis sugeba veikti nuotoliniu būdu ir iškart per didelius plotus. Pagrindinis jo ginklas yra elektromagnetinis laukas. Apie žaibo srovę buvo kalbėta aukščiau, nors tiek srovė, tiek jos augimo greitis yra svarbūs vertinant magnetinės indukcijos elektromotorinę jėgą. Žaibo pastaroji gali viršyti 2 1011 A / s. Bet kurioje grandinėje, kurios plotas yra 1 m2 100 m atstumu nuo žaibo kanalo, tokia srovė sukels maždaug dvigubai aukštesnę įtampą nei gyvenamojo namo išėjimo vietose. Nereikia daug vaizduotės, kad įsivaizduotumėte mikroschemų, skirtų vieno volto įtampai, likimą.

Pasaulio praktikoje yra daug rimtų avarijų, susijusių su žaibo valdymo grandinių sunaikinimu. Į šį sąrašą įtraukta orlaivių ir erdvėlaivių laivo įrangos apgadinimai, klaidingi visos aukštos įtampos elektros linijų „paketų“ išjungimai ir antenų mobiliųjų ryšių sistemų įrangos gedimai. Deja, pastebimą vietą čia užima „žala“ paprastų piliečių kišenei už buitinių prietaisų žalą, kuri vis labiau užpildo mūsų namus.

APSAUGOS BŪDAI

Mes įpratę pasikliauti apsauga nuo žaibo. Prisimenate odeką puikiam XVIII amžiaus mokslininkui, akademikui Michailui Lomonosovui apie jų išradimą? Mūsų garsusis tautietis džiaugėsi pergale, sakė, kad dangaus ugnis nustojo būti pavojinga. Žinoma, šis prietaisas ant gyvenamojo namo stogo neleis žaibui uždegti medinių grindų ar kitų degių statybinių medžiagų. Elektromagnetinio poveikio atžvilgiu jis yra bejėgis. Nėra jokio skirtumo, ar žaibo srovė teka jo kanalu, ar per metalinę žaibo lazdele, ji vis dėlto sužadina magnetinį lauką ir sukelia pavojingą įtampą dėl magnetinės indukcijos vidinėse elektros grandinėse. Norint veiksmingai kovoti su tuo, reikia žaibolaidžio, kad nutekėtų išleidimo kanalas nuotoliniu būdu artėjant prie saugomo objekto, t. tampa labai aukšta, nes indukuota įtampa yra atvirkščiai proporcinga atstumui iki srovės laidininko.

Šiandien buvo įgyta didžiulė patirtis naudojant tokias skirtingo aukščio konstrukcijas.Tačiau statistika nėra labai džiuginanti. Stiebo žaibolaidžio apsauginė zona paprastai pateikiama kūgio pavidalu, kurio ašis ji yra, bet viršūnė yra šiek tiek žemiau jos viršutinio galo. Paprastai 30 metrų „šerdis“ užtikrina 99% pastatų apsaugos patikimumą, jei jis pakyla apie 6 metrus virš jo. Tai pasiekti nėra problema. Tačiau padidėjus žaibolaidžio aukščiui, sparčiai didėja atstumas nuo jo viršaus iki „uždengto“ objekto, būtino pakankamam saugumui užtikrinti. Tokio pat patikimumo laipsnio 200 metrų konstrukcijai šis parametras jau viršija 60 m, o 500 metrų konstrukcijai - 200 m.

Minėtą „Ostankino“ televizijos bokštą taip pat vaidina panašus vaidmuo: jis nesugeba apsisaugoti, praleidžia žaibo smūgius 200 m atstumu žemiau viršūnės. Aukštų žaibolaidžių apsauginės zonos spindulys žemės lygyje taip pat staigiai padidėja: 30 metrų atstumui jis yra panašus į jo aukštį, tam pačiam televizijos bokštui - 1/5 jo aukščio.

Kitaip tariant, negalima tikėtis, kad tradicinio dizaino žaibolaidžiai sugebės sulaikyti žaibą tolimiausiose objekto vietose, ypač jei pastarasis užima didelę plotą žemės paviršiuje. Tai reiškia, kad turime atsižvelgti į realią žaibo iškrovimo į elektrinių ir pastočių, aerodromų, skysto ir dujinio kuro sandėlius, išplėstų antenų laukus tikimybę. Pasklidusi žemėje, žaibo srovė iš dalies patenka į daugybę šiuolaikinių techninių įrenginių požeminių komunikacijų. Paprastai yra automatikos, valdymo ir informacijos apdorojimo sistemų elektros grandinės - patys aukščiau paminėti mikroelektroniniai įtaisai. Beje, žemėje esančių srovių apskaičiavimas yra sudėtingas net ir paprasčiausiu formulavimu. Sunkumai paaštrėja dėl stiprių daugumos dirvožemių atsparumo pokyčių, atsižvelgiant į juose skleidžiančias kiloampere sroves, kurios yra būdingos atmosferos elektros iškrovoms. Omos įstatymas netaikomas skaičiuojant grandines, turinčias tokią netiesinę varžą.

Prie grunto "netiesiškumo" pridedama išplėstinių kibirkščių kanalų susidarymo tikimybė. Kabelių linijų remonto brigados yra gerai susipažinusios su tokiu vaizdu. Nuo aukšto medžio, esančio miško pakraštyje, tarsi plūgas ar senas plūgas, žolė driekiasi išilgai žemės ir nutrūksta tiesiai virš šioje vietoje pažeisto požeminio telefono kabelio takelio - metalinis apvalkalas yra sutrupėjęs, branduolių izoliacija sunaikinta. Taigi žaibo poveikis pasireiškė. Ji trenkė į medį, o jo srovė, plinta išilgai šaknų, žemėje sukūrė stiprų elektrinį lauką, jame suformavo plazminės kibirkšties kanalą. Tiesą sakant, žaibas tęsė savo plėtrą ne tik per orą, bet ir į žemę. Taigi jis gali pravažiuoti dešimtis metrų, o ypač prastai laidžiuose srovių dirvožemiuose (uolėtame ar amžinajame šaltyje) ir šimtus metrų. Lūžis į objektą atliekamas ne tradiciniu būdu - iš viršaus, o apeinant bet kokius žaibolaidžius iš apačios. Stumdomi išmetimai išilgai dirvos paviršiaus yra gerai atkuriami laboratorijoje. Visus šiuos sudėtingus ir labai netiesinius reiškinius reikia eksperimentuoti, modeliuoti.

Srovę, reikalingą išmetimui generuoti, gali generuoti dirbtinis impulsinis šaltinis. Energija kaupiama kondensatorių banke maždaug minutę, o po to per keliasdešimt mikrosekundžių „išsilieja“ į baseiną su dirvožemiu. Tokie talpiniai diskai yra daugelyje aukštos įtampos tyrimų centrų. Jų matmenys siekia dešimtis metrų, masė - dešimtis tonų. Negalite jų pristatyti į elektros pastotės ar kito pramoninio objekto teritoriją, kad galėtumėte visiškai atkurti žaibo srovių sklidimo sąlygas. Tai įmanoma tik atsitiktinai, kai objektas yra greta aukštos įtampos stovo - pavyzdžiui, atvirame Sibiro energetikos tyrimų instituto įrenginyje impulsinis aukštos įtampos generatorius dedamas šalia 110 kV perdavimo linijos. Bet tai, be abejo, yra išimtis.

Žaibolaidžio treniruoklis

Tiesą sakant, tai neturėtų būti unikalus eksperimentas, o įprasta situacija.Specialistams labai reikia visa apimančio žaibo srovės modeliavimo, nes tai yra vienintelis būdas gauti patikimą srovių pasiskirstymo požeminėse komunalinėse sistemose vaizdą, išmatuoti elektromagnetinio lauko poveikį mikroprocesoriniams įrenginiams ir nustatyti slenkančių kibirkščių kanalų sklidimo pobūdį. Atitinkami bandymai turėtų būti plačiai paplitę ir turėtų būti atlikti prieš pradedant eksploatuoti kiekvieną iš esmės naują atsakingą techninę įrangą, kaip seniai buvo daroma aviacijos ir kosmonautikos srityse. Šiandien nėra kitos išeities, kaip sukurti galingą, tačiau mažo dydžio ir mobilų impulsų srovių šaltinį su žaibo srovės parametrais. Jo modelis jau egzistuoja ir 2005 m. Rugsėjo mėn. Buvo sėkmingai išbandytas „Donino“ pastotėje (110 kV). Visa įranga buvo įmontuota serijinės „Volga“ gamyklos priekabose.

Mobilus bandymų kompleksas yra pagrįstas generatoriumi, kuris mechaninę sprogimo energiją paverčia elektros energija. Šis procesas paprastai yra gerai žinomas: jis vyksta bet kurioje elektrinėje mašinoje, kur mechaninė jėga varo rotorių, neutralizuodama jo sąveikos su statoriaus magnetiniu lauku jėgą. Pagrindinis skirtumas yra ypač didelis energijos išsiskyrimo greitis sprogimo metu, kuris greitai pagreitina metalinį stūmoklį (įdėklą) ritės viduje. Jis mikrosekundėmis išstumia magnetinį lauką ir impulsų transformatoriuje sukuria aukštos įtampos sužadinimą. Papildomai sustiprinus impulsiniu transformatoriumi, įtampa sukuria srovę bandomajame objekte. Šio prietaiso idėja priklauso mūsų žymiam tautiečiui, vandenilinės bombos „tėvui“, akademikui A.D. Sacharovas.

Sprogimas specialioje didelio stiprio kameroje sunaikina tik 0,5 m ilgio ritę ir jos viduje esantį įdėklą. Likę generatoriaus elementai naudojami pakartotinai. Grandinę galima sureguliuoti taip, kad generuojamo impulso augimo greitis ir trukmė atitiktų panašius žaibo srovės parametrus. Be to, jį galima „nuvesti“ į ilgą objektą, pavyzdžiui, į laidą tarp elektros perdavimo linijos atramų, į modernios pastotės žemės kilpą arba į lėktuvo korpusą.

Tiriant generatoriaus prototipą, į kamerą buvo įmesta tik 250 g sprogmenų. To pakanka, kad suformuotumėte srovės impulsą, kurio amplitudė būtų iki 20 000 A. Tačiau pirmą kartą jie nepasiekė tokio radikalaus efekto - srovė buvo apribota dirbtinai. Diegimo pradžioje buvo tik lengvas sprogimo kameros iššokimas. Ir tada patikrinti skaitmeninių osciloskopų įrašai parodė: pastotės žaibo laidininkui sėkmingai buvo įvestas srovės impulsas su nurodytais parametrais. Jutikliai pastebėjo galios padidėjimą įvairiuose žemės kilpos taškuose.

Dabar etatinis kompleksas yra ruošiamas. Jis bus sureguliuotas visapusiškam žaibo srovių modeliavimui ir tuo pačiu metu bus dedamas į nuoseklaus sunkvežimio galinę dalį. Sprogstamoji generatoriaus kamera skirta darbui su 2 kg sprogmenų. Yra pagrindo manyti, kad kompleksas bus universalus. Su juo bus galima išbandyti ne tik elektros energiją, bet ir kitus didelės apimties naujos technologijos objektus, skirtus atsparumui srovės ir elektromagnetinio žaibo lauko poveikiui: atomines elektrines, telekomunikacijų prietaisus, raketų sistemas ir kt.

Norėčiau pabaigti straipsnį pagrindine pastaba, juo labiau kad tam yra priežasčių. Pradėjus eksploatuoti visą darbo dieną veikiančią bandymo įstaigą, bus galima objektyviai įvertinti pažangiausių apsaugos priemonių efektyvumą. Nepaisant to, tam tikras nepasitenkinimas vis dar išlieka. Tiesą sakant, asmuo vėl seka žaibo pavyzdžiu ir yra priverstas susitaikyti su savo sąmoningumu, tuo pačiu prarasdamas daug pinigų. Naudojant apsaugos nuo žaibo priemones padidėja objekto dydis ir svoris, auga negausių medžiagų išlaidos.Paradoksalios situacijos yra gana realios, kai apsauginės įrangos matmenys viršija saugomo konstrukcinio elemento matmenis. Inžinerijos folklore saugomas žinomo orlaivio dizainerio atsakymas į pasiūlymą suprojektuoti absoliučiai patikimą orlaivį: šį darbą galima atlikti, jei klientas susitaikys su vieninteliu projekto trūkumu - orlaivis niekada nenukris nuo žemės. Kažkas panašaus vyksta ir apsaugai nuo žaibo. Vietoj puolimo ekspertai rengia žiedinę gynybą. Norėdami išeiti iš užburto rato, turite suprasti žaibo trajektorijos formavimo mechanizmą ir rasti priemonių šio proceso valdymui dėl silpno išorinio poveikio. Užduotis sunki, bet toli gražu ne beviltiška. Šiandien akivaizdu, kad žaibas, judantis iš debesies į žemę, niekada nesitrenkia į žemės objektą: iš jo viršaus link artėjančio žaibo auga kibirkšties kanalas, vadinamasis artėjantis vadas. Priklausomai nuo objekto aukščio, jis driekiasi dešimtis metrų, kartais kelis šimtus ir atitinka žaibus. Žinoma, ši „data“ ne visada būna - žaibas gali praleisti.

Bet tai visiškai akivaizdu: kuo anksčiau atsiranda būsimas lyderis, tuo toliau jis pereis prie žaibo ir tuo daugiau šansų jiems susitikti. Todėl jūs turite išmokti „sulėtinti“ kibirkščių kanalus nuo saugomų objektų ir, atvirkščiai, stimuliuoti nuo žaibolaidžių. Optimizmo priežastį skatina tie labai silpni išoriniai elektriniai laukai, kuriuose formuojasi žaibas. Per perkūniją laukas šalia žemės yra apie 100–200 V / cm - maždaug toks pat, kaip ir lygintuvo ar elektrinio skustuvo elektros laido paviršiuje. Kadangi žaibas patenkintas tokiu mažumu, tai reiškia, kad jį kontroliuojančios įtakos gali būti tokios pat silpnos. Svarbu tik suprasti, kada ir kokia forma jie turėtų būti įteikti. Priešais yra sunkus, bet įdomus tiriamasis darbas.

Jungtinio aukštosios temperatūros fizikos instituto RAS akademikas Vladimiras FORTOV, technikos mokslų daktaras Eduardas BAZELYANAS, pavadintas Energetikos instituto vardu G.M. Kržizhanovskis.