Com protegir-se dels llamps

Els llamps sempre despertaven la imaginació d’una persona i el desig de conèixer el món. Va provocar foc a la terra, després d'haver domesticat a qui, la gent es va fer més poderosa. Encara no comptem amb la conquesta d’aquest fenomen natural tan formidable, però voldríem la "convivència pacífica". Al cap i a la fi, com més perfecte sigui l’equip que creem, l’electricitat atmosfèrica més perillosa és per a això. Un dels mètodes de protecció és avaluar de manera preliminar, mitjançant un simulador especial, la vulnerabilitat de les instal·lacions industrials pel camp actual i electromagnètic del llamp.

Estimar la tempesta a principis de maig és fàcil per a poetes i artistes. L'enginyer, senyor o astronauta no estarà encantat des del començament de la temporada de tempestes: promet massa problemes. De mitjana, cada quilòmetre quadrat de Rússia compta anualment uns tres llamps. El seu corrent elèctric arriba als 30.000 A i, per a les descàrregues més potents, pot superar els 200.000 A. La temperatura en un canal de plasma ben ionitzat, fins i tot de llamps moderats, pot arribar a 30.000 ° C, que és diverses vegades superior a l’arc elèctric de la soldadora. I, per descomptat, això no funciona bé per a moltes instal·lacions tècniques. Els especialistes coneixen molt bé els incendis i les explosions dels llamps directes. Però la gent corrent exagera clarament el risc d’aquest esdeveniment.

La punta de la bandera de la torre de televisió Ostankino. Les traces de reflux són visibles, en realitat el "encenedor elèctric celestial" no és tan eficaç. Imagineu-vos: esteu intentant fer un incendi durant un huracà, quan a causa del fort vent és difícil encendre fins i tot palla seca. El corrent d'aire procedent del canal llamp és encara més potent: la seva descàrrega dóna lloc a una onada de xoc, la tronada de la qual es trenca i apaga la flama. Una paradoxa, però un llamp feble és perill d’incendi, sobretot si una corrent d’uns 100 A flueix pel seu canal durant dècimes de segon (per a edats del món de les descàrregues d’espurna!), Aquest últim no és gaire diferent d’un arc i un arc elèctric encendrà tot el que pugui cremar.

No obstant això, per a un edifici d'alçada normal, els llamps no són freqüents. L'experiència i la teoria mostren: es "atrau" a una estructura terrestre a una distància propera a les seves tres altures. La torre de deu pisos recollirà anualment uns 0,08 llamps, és a dir. una mitjana de 1 cop en 12,5 anys d’operació. Una casa amb golfes és aproximadament 25 vegades més petita: de mitjana, el propietari haurà de “esperar” uns 300 anys.

Però no defallim el perill. De fet, si els llamps assoleixen almenys una de les 300-400 cases de poble, és probable que els residents locals consideren aquest fet insignificant. Però hi ha objectes de longitud molt més gran, és a dir, línies elèctriques (NEP). La seva longitud pot superar els 100 km, la seva alçada és de 30 m. Això significa que cadascun d'ells recollirà cops de la dreta i l'esquerra, amb franges de 90 m d'ample. La superfície total de "raig" llamp superà els 18 km2, el seu nombre és de 50 per any. Per descomptat, els suports d’acer de la línia no es cremaran, els cables no es fonran. Els llamps xoquen aproximadament 30 vegades a l'any a la punta del pal de la torre de TV Ostankino (Moscou), però no passa res terrible. I per entendre per què són perillosos per a les línies elèctriques, cal conèixer la naturalesa dels efectes elèctrics, no tèrmics.

EL PODER PRINCIPAL DE LA IL·LUMINACIÓ

Quan es colpeja en el suport de la línia elèctrica, el corrent flueix a terra a través de la resistència a terra, que, per regla general, és de 10-30 ohms. Al mateix temps Ohm's law fins i tot el llamp "mitjà", amb un corrent de 30.000 A, crea un voltatge de 300-900 kV i potent, diverses vegades més. Hi ha hagut llamps Si arriben al nivell de megavolt, l’aïllament de la línia de transmissió d’energia no resisteix i es trenca. Es produeix un curtcircuit. La línia està desconnectada. Pitjor encara quan un canal de llamps trenca directament als cables.Aleshores, la sobretensió és un ordre de magnitud superior al de suport del suport. La lluita contra aquest fenomen continua sent una tasca difícil per a la indústria elèctrica. A més, amb la millora de la tecnologia, la seva complexitat només creix.

La torre de TV Ostankino va actuar com un llamp, després d'haver perdut un llamp a 200 metres per sota del pic. Per satisfer les necessitats energètiques que creix ràpidament la humanitat, les centrals modernes han de ser combinades en sistemes potents. Un sistema energètic unificat funciona ara a Rússia: totes les seves instal·lacions funcionen interconnectades. Per tant, el fracàs accidental d’una mateixa línia de transmissió d’energia o d’una central elèctrica pot comportar greus conseqüències similars a les que van passar a Moscou el maig del 2005. Al món s’han notat molts accidents del sistema causats per llamps. Un d'ells, als Estats Units el 1968, va causar danys a milions de dòlars. Aleshores, una descàrrega de llamps va apagar una línia elèctrica i el sistema elèctric no va poder fer front al dèficit energètic sorgit.

No és estrany que els especialistes prestin la deguda atenció a la protecció de les línies elèctriques dels llamps. Al llarg de tota la longitud de les línies aèries amb un voltatge de 110 kV o més, es suspèn cables especials metàl·lics, que intenten protegir els cables del contacte directe des de dalt. El seu aïllament es maximitza, la resistència a terra dels suports és molt reduïda, i els dispositius semiconductors, com els que protegeixen els circuits d’entrada d’ordinadors o televisors d’alta qualitat, s’utilitzen per limitar les sobretensions. És cert que la seva similitud només és en principi de funcionament, però la tensió de funcionament dels limitadors lineals s’estima en milions de volts: avalueu l’escala del cost de la protecció contra llamps!

Sovint la gent es pregunta si és possible dissenyar una línia absolutament resistent als llamps? La resposta és que sí. Però aquí són inevitables dues noves preguntes: qui ho necessita i quant costarà? De fet, si és impossible danyar una línia de transmissió de potència protegida de forma fiable, és possible, per exemple, formar un fals comandament per desconnectar la línia o simplement destruir els circuits d’automatització de baixa tensió, que en disseny modern es basen en la tecnologia de microprocessador. El voltatge de funcionament dels xips disminueix cada any. Avui es calcula en unitats de volts. És allà on hi ha lloc per als llamps! I no cal fer una vaga directa, perquè és capaç d’actuar de forma remota i immediatament sobre grans superfícies. La seva principal arma és el camp electromagnètic. Es va esmentar anteriorment sobre el corrent llamp, tot i que tant el corrent com la seva velocitat de creixement són importants per a avaluar la força electromotriu de la inducció magnètica. Al llamp, aquest darrer pot superar els 2 • 1011 A / s. En qualsevol circuit amb una superfície d’1 m2 a una distància de 100 m del canal llamp, aquest corrent induirà una tensió aproximadament el doble d’alçada que a les sortides d’un edifici residencial. No es necessita gaire imaginació imaginar el destí dels microxips dissenyats per a un voltatge de l'ordre d'un volt.

A la pràctica mundial, hi ha molts accidents greus per la destrucció de circuits de control de llamps. Aquesta llista inclou danys als equips a bord d’avions aeronàutics i naus espacials, falses parades de paquets sencers de línies elèctriques d’alta tensió i fallades dels equips de sistemes de comunicació mòbils d’antena. Malauradament, un lloc notable aquí està ocupat pel "dany" a la butxaca dels ciutadans corrents per danys als electrodomèstics, que cada vegada més omple les nostres cases.

MANERES DE PROTECCIÓ

Estem acostumats a confiar en la protecció contra llamps. Recordeu l’odi al gran científic del segle XVIII, l’acadèmic Mikhail Lomonosov sobre la seva invenció? El nostre famós compatriota va quedar encantat amb la victòria, va dir que el foc celestial ha deixat de ser perillós. Per descomptat, aquest dispositiu a la teulada d’un edifici residencial no permetrà que els llamps s’incendiin a un terra de fusta o a altres materials de construcció combustibles. Pel que fa als efectes electromagnètics, ell és impotent. No fa diferència si el corrent del llamp flueix en el seu canal o a través de la barra metàl·lica del llamp, tanmateix excita un camp magnètic i indueix una tensió perillosa deguda a la inducció magnètica als circuits elèctrics interns. Per combatre-ho eficaçment, es necessita un llamp per interceptar el canal de descàrrega en aproximacions remotes a l’objecte protegit, és a dir. arribar a ser molt alt, ja que la tensió induïda és inversament proporcional a la distància amb el conductor actual.

Avui s’ha aconseguit una gran experiència en utilitzar estructures de diferents alçades.Tot i això, les estadístiques no són gaire reconfortants. La zona de protecció d’un llamp es sol presentar en forma de con, l’eix del qual és, però amb un àpex situat lleugerament inferior al seu extrem superior. Normalment, un “nucli” de 30 metres proporciona una confiança del 99% de la protecció dels edificis si s’eleva a uns 6 metres d’altura, per aconseguir-ho no és cap problema. Però, amb un augment de l’altura del llamp, la distància des de la seva part superior fins a l’objecte "cobert", el mínim necessari per a una protecció satisfactòria, creix ràpidament. Per a una estructura de 200 metres del mateix grau de fiabilitat, aquest paràmetre ja supera els 60 m, i per a una estructura de 500 metres - 200 m.

L’esmentada torre de TV Ostankino també té un paper similar: no és capaç de protegir-se, passa llamps a una distància de 200 m per sota del pic. El radi de la zona de protecció al nivell del sòl dels llampecs elevats també augmenta bruscament: per a un metre de 30 metres, és comparable a la seva alçada, per a la mateixa torre de televisió - 1/5 de la seva alçada.

Dit d'una altra manera, no es pot esperar que els llamps d'un disseny tradicional puguin interceptar els llamps a aproximacions llunyanes de l'objecte, especialment si aquest últim ocupa una àrea gran a la superfície de la terra. Això vol dir que hem de tenir en compte la probabilitat real d’una descàrrega de llamps al territori de centrals i subestacions elèctriques, els aeròdroms, els magatzems de combustibles líquids i gasosos i els camps d’antenes esteses. Difonent-se al terra, el corrent llamp entra parcialment a les nombroses comunicacions subterrànies d'objectes tècnics moderns. Per regla general, hi ha circuits elèctrics de sistemes d’automatització, control i processament d’informació, els dispositius microelectrònics molt esmentats anteriorment. Per cert, el càlcul de corrents a la terra és complicat fins i tot en la formulació més simple. Les dificultats s’agreugen a causa dels forts canvis en la resistència de la majoria dels sòls, depenent de la força dels corrents de quiloampere que s’escampen en ells, que són característics de les descàrregues d’electricitat atmosfèrica. La llei d’Ohm no s’aplica al càlcul de circuits amb aquestes resistències no lineals.

A la "no linealitat" del sòl s'hi afegeix la probabilitat de la formació de canals d'estinció extesa al mateix. Els equips de reparació de les línies de cable coneixen bé aquesta imatge. Un solc s’estén al llarg del terra des d’un arbre alt d’una vora del bosc, com si es tractés d’un arat o un antic arat, i es trenqui just a sobre de la pista d’un cable de telèfon subterrani que es fa malbé en aquest lloc: la beina metàl·lica s’esmicol, l’aïllament dels nuclis es destrueix. Llavors, l'efecte del llamp es va manifestar. Va xocar contra un arbre i el seu corrent, que es va estendre per les arrels, va crear un fort camp elèctric al terra, i va formar un canal d’espurna al plasma. De fet, els llamps van continuar el seu desenvolupament, tal com va ser, no només a través de l’aire, sinó del terra. Per tant, poden passar desenes i en sòls de corrents especialment poc conduïts (rocosos o permafrost) i centenars de metres. L’avanç cap a l’objecte no es realitza de la manera tradicional, des de dalt, sinó obviant els llamps des de baix. Les descàrregues corredisses al llarg de la superfície del sòl es reprodueixen bé al laboratori. Tots aquests fenòmens complexos i molt no lineals necessiten investigació experimental, modelatge.

El corrent per generar una descàrrega pot ser generat per una font polsada artificial. L’energia s’acumula al banc de condensadors durant aproximadament un minut, i després s’aboca a la piscina amb terra en una dotzena de microsegons. Aquests impulsors capacitius es troben en molts centres de recerca d’alta tensió. Les seves dimensions arriben a desenes de metres, la massa - desenes de tones. No podeu lliurar-lo al territori d’una subestació elèctrica o una altra instal·lació industrial per tal de reproduir plenament les condicions per a la propagació dels raigs. Això només és possible per accident quan l’objecte es troba adjacent a un estand d’alta tensió, per exemple, en una instal·lació oberta de l’Institut d’Investigació Siberià de l’energia, es col·loca un generador d’alta tensió impulsat al costat d’una línia de transmissió de 110 kV. Però això, per descomptat, és una excepció.

Simulador de llamps

De fet, aquest no ha de ser un experiment únic, sinó una situació normal.Els especialistes tenen una extrema necessitat de la simulació a gran escala del corrent llamp, ja que aquesta és l’única manera d’obtenir una imatge fiable de la distribució de corrents en els serveis públics subterranis, mesurar els efectes del camp electromagnètic en els dispositius de tecnologia de microprocessador i determinar el patró de propagació dels canals de bugia lliscant. Les proves corresponents s’han d’ampliar i s’haurien de realitzar abans de la posada en funcionament de cada instal·lació tècnica responsable fonamentalment nova, com s’ha fet des de fa temps en aviació i astronautica. Avui no hi ha cap altra alternativa que crear una font potent, però de mida petita i mòbil, de corrents de pols amb paràmetres de corrent llamp. El seu model de prototip ja existeix i es va provar amb èxit a la subestació de Donino (110 kV) el setembre de 2005. Tots els equips es van allotjar en un remolc de fàbrica de la sèrie Volga.

El complex de proves mòbils es basa en un generador que converteix l’energia mecànica d’una explosió en energia elèctrica. Aquest procés és generalment conegut: té lloc en qualsevol màquina elèctrica, on la força mecànica condueix el rotor, contrarestant la força de la seva interacció amb el camp magnètic de l'estator. La diferència fonamental és la velocitat d’alliberament d’energia extremadament alta durant l’explosió, que accelera ràpidament el pistó metàl·lic (revestiment) dins de la bobina. Desplaça el camp magnètic en microsegons, proporcionant excitació d’alta tensió en un transformador de pols. Després de l'amplificació addicional per un transformador de pols, la tensió genera un corrent a l'objecte de prova. La idea d’aquest dispositiu pertany al nostre destacat compatriota, el “pare” de la bomba d’hidrogen, l’acadèmic A.D. Saharov

Una explosió d'una càmera especial de gran resistència només destrueix una bobina de 0,5 m de longitud i un revestiment interior. Els elements restants del generador s’utilitzen repetidament. El circuit es pot ajustar de manera que el ritme de creixement i la durada del pols generat es corresponguin amb uns paràmetres de corrent similars. A més, és possible "conduir-lo" a un objecte de gran longitud, per exemple, a un fil entre els suports de la línia de transmissió de potència, al llaç de terra d'una subestació moderna o al fuselatge d'un avió.

Quan es va provar una mostra generadora de prototips, només es van posar 250 g d'explosius a la cambra. Això és suficient per formar un pols de corrent amb una amplitud de fins a 20.000 A. Tanmateix, per primera vegada no van fer un efecte tan radical: el corrent es limitava artificialment. Al començar la instal·lació, només apareixia la llum de la càmera explosiva. A continuació, es van mostrar els enregistraments d’osciloscopis digitals: es va introduir amb èxit un pols de corrent amb els paràmetres donats al conductor de la subestació. Els sensors van registrar un fort augment de potència en diversos punts del buc de terra.

Ara el complex a temps complet està en procés de preparació. S'ajustarà a la simulació a escala completa dels corrents llamp i, al mateix temps, es col·locarà a la part posterior d'un camió en sèrie. La cambra explosiva del generador està dissenyada per funcionar amb 2 kg d'explosius. Hi ha totes les raons per creure que el complex serà universal. Amb la seva ajuda, serà possible provar no només l’energia elèctrica, sinó també altres objectes de grans dimensions dels nous equips per resistència als efectes del camp de llum i corrent i electromagnètic: centrals nuclears, dispositius de telecomunicacions, sistemes de míssils, etc.

Voldria acabar l’article amb una nota important, sobretot perquè hi ha raons per això. La posada en funcionament d'un centre de proves a temps complet permetrà avaluar de forma objectiva l'eficàcia dels equips de protecció més avançats. Tot i així, encara queda certa insatisfacció. De fet, la persona segueix de nou el lideratge dels llamps i es veu obligada a posar-se al costat de la seva voluntat, mentre perd molts diners. L’ús de mitjans de protecció contra llamps condueix a un augment de la mida i el pes de l’objecte, els costos dels materials escassos creixen.Les situacions paradoxals són força reals quan les mides dels equips de protecció superen les de l’element estructural protegit. El folklore Engineering emmagatzema la resposta d’un conegut dissenyador d’avions a la proposta de dissenyar un avió absolutament fiable: aquest treball es pot fer si el client es concilia amb l’únic inconvenient del projecte: l’aeronau mai no sortirà de la terra. Alguna cosa similar està passant en la protecció contra llamps actuals. En lloc d'una ofensiva, els experts mantenen una defensa circular. Per sortir del cercle viciós, heu d’entendre el mecanisme de formació de la trajectòria llamp i trobar un mitjà per controlar aquest procés a causa d’unes febles influències externes. La tasca és difícil, però lluny d’esperar. Avui és clar que els llamps que es mouen d’un núvol a la terra no arriben mai a un objecte terrestre: des de la seva part superior cap a un llamp que s’acosta, creix un canal d’espurnes, l’anomenat líder que s’aconsegueix. Depenent de l’alçada de l’objecte, s’estén desenes de metres, de vegades diversos centenars i es troba amb llamps. Per descomptat, aquesta “cita” no sempre passa: els llamps poden faltar.

Però és força evident: com més aviat sorgeixi el líder que ve, més avançarà al llamp i, per tant, més possibilitats de trobar-se. Per tant, heu d'aprendre a "alentir" els canals d'espurna d'objectes protegits i, per contra, a estimular els conductors de raigs. La raó de l’optimisme s’inspira en aquells camps elèctrics externs molt febles en els quals es forma un llamp. A les tempestes tronades, un camp proper a la terra és d’uns 100-200 V / cm, aproximadament el mateix que a la superfície d’un cable elèctric d’un ferro o una màquina elèctrica. Com que el llamp es conforma amb tanta petitesa, vol dir que les influències que el controlen poden ser igual de febles. Només és important comprendre en quin moment i en quina forma s’han de servir. Per davant és un treball de recerca difícil però interessant.

Acadèmic Vladimir FORTOV, Institut conjunt de física de alta temperatura RAS, doctor en ciències tècniques Eduard BAZELYAN, Institut de l'Energia anomenat G.M. Krzhizhanovsky.