Come proteggersi dai fulmini

Il lampo ha sempre risvegliato l'immaginazione e il desiderio di una persona di conoscere il mondo. Ha portato il fuoco sulla terra, dopo aver domato quale, le persone sono diventate più potenti. Non contiamo ancora sulla conquista di questo formidabile fenomeno naturale, ma vorremmo "una convivenza pacifica". Dopotutto, più l'attrezzatura che creiamo è perfetta, più l'elettricità atmosferica è pericolosa. Uno dei metodi di protezione consiste nel valutare in via preliminare, utilizzando uno speciale simulatore, la vulnerabilità delle strutture industriali per il campo attuale ed elettromagnetico dei fulmini.

Amare la tempesta ai primi di maggio è facile per poeti e artisti. L'ingegnere di potenza, il segnalatore o l'astronauta non saranno deliziati dall'inizio della stagione dei temporali: promette troppi problemi. In media, ogni chilometro quadrato della Russia rappresenta ogni anno circa tre fulmini. La loro corrente elettrica raggiunge i 30.000 A e per le scariche più potenti può superare i 200.000 A. La temperatura in un canale al plasma ben ionizzato di fulmini anche moderati può raggiungere i 30.000 ° C, che è parecchie volte superiore rispetto all'arco elettrico della saldatrice. E, naturalmente, questo non è di buon auspicio per molte strutture tecniche. Incendi ed esplosioni da fulmini diretti sono ben noti agli specialisti. Ma la gente comune sta chiaramente esagerando il rischio di un simile evento.

La punta del pennone della torre della televisione di Ostankino. Sono visibili tracce di riflusso: in realtà, l'accendino celeste elettrico non è così efficace. Immagina: stai cercando di accendere un fuoco durante un uragano, quando a causa del forte vento è difficile accendere anche la paglia secca. Il flusso d'aria proveniente dal canale del fulmine è ancora più potente: il suo scarico provoca un'onda d'urto, il rombo fragoroso di cui rompe ed estingue la fiamma. Un paradosso, ma un fulmine debole è un pericolo di incendio, soprattutto se una corrente di circa 100 A scorre attraverso il suo canale per i decimi di secondo (per secoli nel mondo delle scariche di scintille!), Quest'ultimo non è molto diverso da un arco e un arco elettrico accenderà tutto ciò che può bruciare.

Tuttavia, per un edificio di altezza normale, i fulmini non sono frequenti. Esperienza e teoria dimostrano: è "attratto" da una struttura di terra da una distanza vicina alle sue tre altezze. La torre di dieci piani raccoglierà circa 0,08 fulmini all'anno, ad es. una media di 1 colpo in 12,5 anni di attività. Un cottage con soffitta è circa 25 volte più piccolo: in media, il proprietario dovrà "aspettare" per circa 300 anni.

Ma non minimizzare il pericolo. In effetti, se un fulmine colpisce almeno una delle 300-400 case del villaggio, è improbabile che i residenti locali considerino questo evento insignificante. Ma ci sono oggetti di lunghezza molto maggiore - diciamo, linee elettriche (NEP). La loro lunghezza può superare i 100 km, la loro altezza è di 30 m, il che significa che ognuno di loro raccoglierà colpi da destra e da sinistra, con strisce di 90 m di larghezza, l'area totale del "tiro" dei fulmini supererà i 18 km2, il loro numero è di 50 all'anno. Naturalmente, i supporti in acciaio della linea non si bruciano, i fili non si sciolgono. Un fulmine colpisce circa 30 volte l'anno sulla punta del pennone della torre della televisione Ostankino (Mosca), ma non succede nulla di terribile. E per capire perché sono pericolosi per le linee elettriche, è necessario conoscere la natura degli effetti elettrici, non termici.

IL PRINCIPALE POTERE DEL Fulmine

Quando viene colpito nel supporto della linea elettrica, la corrente fluisce nel terreno attraverso la resistenza di terra, che, di regola, è 10-30 Ohm. Allo stesso tempo Legge di Ohm anche il lampo "medio", con una corrente di 30.000 A, crea una tensione di 300-900 kV e potente - molte volte di più. Quindi ci sono fulmini. Se raggiungono il livello di megavolt, l'isolamento della linea elettrica non si alza e si rompe. Si verifica un corto circuito. La linea è disconnessa. Ancora peggio, quando un canale di fulmini si rompe direttamente sui fili.Quindi la sovratensione è un ordine di grandezza superiore a quello con un danno al supporto. La lotta contro questo fenomeno oggi rimane un compito difficile per l'industria dell'energia elettrica. Inoltre, con il miglioramento della tecnologia, la sua complessità cresce.

La torre della televisione di Ostankino ha funzionato come un parafulmine, dopo aver perso un fulmine a 200 metri sotto il picco. Per soddisfare le esigenze energetiche in rapida crescita dell'umanità, le moderne centrali elettriche devono essere combinate in potenti sistemi. Un sistema energetico unificato è ora operativo in Russia: tutte le sue strutture operano interconnesse. Pertanto, il guasto accidentale di una sola linea di trasmissione o di una centrale elettrica può portare a gravi conseguenze simili a quanto accaduto a Mosca nel maggio 2005. Sono stati notati molti incidenti di sistema causati da un fulmine nel mondo. Uno di questi - negli Stati Uniti nel 1968, causò danni multimilionari. Quindi una scarica di fulmini ha spento una linea di alimentazione e il sistema di alimentazione non è riuscito a far fronte al deficit energetico che si è presentato.

Non sorprende che gli specialisti prestino la dovuta attenzione alla protezione delle linee elettriche dai fulmini. Cavi metallici speciali sono sospesi su tutta la lunghezza delle linee aeree con una tensione di 110 kV e oltre, cercando di proteggere i fili dal contatto diretto dall'alto. Il loro isolamento è massimizzato, la resistenza di messa a terra dei supporti è estremamente ridotta e dispositivi a semiconduttore, come quelli che proteggono i circuiti di ingresso di computer o televisori di alta qualità, vengono utilizzati per limitare le sovratensioni. È vero, la loro somiglianza è solo in linea di principio, ma la tensione operativa per i limitatori lineari è stimata in milioni di volt - valuta l'entità del costo della protezione contro i fulmini!

Le persone spesso si chiedono se sia possibile progettare una linea assolutamente resistente ai fulmini? La risposta è si. Ma qui sono inevitabili due nuove domande: chi ne ha bisogno e quanto costerà? In effetti, se è impossibile danneggiare una linea di trasmissione di energia protetta in modo affidabile, è possibile, ad esempio, formare un falso comando per scollegare la linea o semplicemente distruggere i circuiti di automazione a bassa tensione, che nella progettazione moderna sono basati sulla tecnologia a microprocessore. La tensione operativa dei chip diminuisce ogni anno. Oggi è calcolato in unità di volt. Ecco dove c'è spazio per i fulmini! E non è necessario uno sciopero diretto, perché è in grado di agire in remoto e immediatamente su aree estese. La sua arma principale è il campo elettromagnetico. È stato menzionato sopra sulla corrente di fulmine, sebbene sia la corrente che il suo tasso di crescita siano importanti per valutare la forza elettromotrice dell'induzione magnetica. In un lampo, quest'ultimo può superare 2 • 1011 A / s. In qualsiasi circuito con una superficie di 1 m2 a una distanza di 100 m dal canale del fulmine, tale corrente indurrà una tensione di circa il doppio rispetto alle prese di un edificio residenziale. Non ci vuole molta immaginazione per immaginare il destino dei microcircuiti progettati per una tensione dell'ordine di un volt.

Nella pratica mondiale, ci sono molti incidenti gravi dovuti alla distruzione dei circuiti di controllo dei fulmini. Questo elenco comprende danni alle apparecchiature di bordo degli aerei di linea e dei veicoli spaziali, falsi arresti di interi "pacchetti" di linee elettriche ad alta tensione e guasti alle apparecchiature dei sistemi di comunicazione mobile dell'antenna. Sfortunatamente, un posto notevole qui è occupato dal "danno" alla tasca dei cittadini comuni per danni agli elettrodomestici, che sempre più sta riempiendo le nostre case.

MODI DI PROTEZIONE

Siamo abituati a fare affidamento sulla protezione contro i fulmini. Ricordi l'ode al grande scienziato del XVIII secolo, l'accademico Mikhail Lomonosov sulla loro invenzione? Il nostro famoso connazionale è stato felice della vittoria, ha affermato che il fuoco celeste ha smesso di essere pericoloso. Naturalmente, questo dispositivo sul tetto di un edificio residenziale non consentirà ai fulmini di incendiare un pavimento in legno o altri materiali da costruzione combustibili. Per quanto riguarda gli effetti elettromagnetici, è impotente. Non fa alcuna differenza se la corrente di lampo fluisce nel suo canale o attraverso l'asta metallica del parafulmine, tuttavia eccita un campo magnetico e induce una tensione pericolosa a causa dell'induzione magnetica nei circuiti elettrici interni. Per combatterlo efficacemente, è necessario un parafulmine per intercettare il canale di scarico in avvicinamento remoto all'oggetto protetto, ad es. diventare molto elevato, perché la tensione indotta è inversamente proporzionale alla distanza dal conduttore di corrente.

Oggi, è stata acquisita una grande esperienza nell'uso di tali strutture di diverse altezze.Tuttavia, le statistiche non sono molto confortanti. La zona di protezione di un parafulmine viene solitamente presentata sotto forma di un cono, l'asse di cui è, ma con un apice situato leggermente più in basso della sua estremità superiore. Di solito un "nucleo" di 30 metri offre un'affidabilità del 99% della protezione dell'edificio se si trova a circa 6 metri sopra di esso, per raggiungere questo obiettivo non è un problema. Ma con un aumento dell'altezza del parafulmine, la distanza dalla sua sommità all'oggetto "coperto", il minimo necessario per una protezione soddisfacente, sta rapidamente crescendo. Per una struttura di 200 metri con lo stesso grado di affidabilità, questo parametro supera già 60 m, e per una struttura di 500 metri - 200 m.

Anche la suddetta torre televisiva Ostankino svolge un ruolo simile: non è in grado di proteggersi, manca i fulmini ad una distanza di 200 m al di sotto della vetta. Anche il raggio della zona di protezione a livello del suolo per i parafulmini aumenta notevolmente: per uno di 30 metri, è paragonabile alla sua altezza, per la stessa torre TV - 1/5 della sua altezza.

In altre parole, non si può sperare che i parafulmini di un design tradizionale saranno in grado di intercettare i fulmini ad approcci distanti all'oggetto, specialmente se quest'ultimo occupa una vasta area sulla superficie della terra. Ciò significa che dobbiamo fare i conti con la reale probabilità di una scarica di fulmini nel territorio di centrali elettriche e sottostazioni, campi di aviazione, magazzini di combustibili liquidi e gassosi e campi di antenne estesi. Diffondendosi nel terreno, la corrente del lampo entra parzialmente nelle numerose comunicazioni sotterranee delle moderne strutture tecniche. Di norma, ci sono circuiti elettrici di automazione, controllo e sistemi di elaborazione delle informazioni - i dispositivi microelettronici sopra menzionati. A proposito, il calcolo delle correnti sulla terra è complicato anche nella formulazione più semplice. Le difficoltà sono aggravate a causa di forti cambiamenti nella resistenza della maggior parte dei suoli, a seconda della forza delle correnti chiloampere che si diffondono in esse, che sono solo caratteristiche degli scarichi di elettricità atmosferica. La legge di Ohm non si applica al calcolo di circuiti con tali resistenze non lineari.

Alla "non linearità" del suolo si aggiunge la probabilità della formazione di canali di scintilla estesi in esso. Gli addetti alle riparazioni delle linee dei cavi conoscono bene tale quadro. Un solco si estende lungo il terreno da un albero alto ai margini della foresta, come da un aratro o da un vecchio aratro, e si interrompe appena sopra la pista di un cavo telefonico sotterraneo che è danneggiato in questo luogo - la guaina metallica è spiegazzata, l'isolamento dei nuclei viene distrutto. Quindi è apparso l'effetto del lampo. Colpì un albero e la sua corrente, diffondendosi lungo le radici, creò un forte campo elettrico nel terreno, formando un canale di scintilla al plasma. In effetti, il fulmine ha continuato il suo sviluppo, per così dire, non solo attraverso l'aria, ma nel terreno. E così può passare dozzine, e in terreni con correnti particolarmente scarse (rocce o permafrost) e centinaia di metri. La svolta verso l'oggetto non viene eseguita nel modo tradizionale - dall'alto, ma bypassando eventuali parafulmini dal basso. Gli scarichi scorrevoli lungo la superficie del suolo sono ben riprodotti in laboratorio. Tutti questi fenomeni complessi e altamente non lineari richiedono ricerca sperimentale, modellistica.

La corrente per generare una scarica può essere generata da una sorgente pulsata artificiale. L'energia viene accumulata per circa un minuto in un banco di condensatori e quindi "versata" nella piscina con il suolo in una dozzina di microsecondi. Tali azionamenti capacitivi si trovano in molti centri di ricerca ad alta tensione. Le loro dimensioni raggiungono decine di metri, massa - decine di tonnellate. Non è possibile consegnare tale nel territorio di una sottostazione elettrica o altra struttura industriale al fine di riprodurre pienamente le condizioni per la diffusione di correnti da fulmine. Ciò è possibile solo per caso, quando l'oggetto è adiacente a un supporto ad alta tensione - ad esempio, in un'installazione aperta del Siberian Research Institute of Energy, un generatore di impulsi ad alta tensione è posizionato accanto a una linea di trasmissione da 110 kV. Ma questo, ovviamente, è un'eccezione.

Simulatore di fulmini

In realtà, questo non dovrebbe essere un esperimento unico, ma una situazione ordinaria.Gli specialisti hanno un disperato bisogno di una simulazione su larga scala della corrente di fulmine, poiché questo è l'unico modo per ottenere un quadro affidabile della distribuzione delle correnti nelle utenze sotterranee, misurare gli effetti del campo elettromagnetico sui dispositivi tecnologici a microprocessore e determinare il modello di propagazione dei canali a scintilla scorrevole. I test corrispondenti dovrebbero diventare diffusi ed essere eseguiti prima della messa in servizio di ogni struttura tecnica responsabile fondamentalmente nuova, come è stato a lungo fatto in aviazione e in astronautica. Oggi non c'è alternativa se non quella di creare una fonte potente, ma di dimensioni ridotte e mobile di correnti di impulso con parametri di corrente di fulmine. Il suo modello prototipo esiste già ed è stato testato con successo presso la sottostazione di Donino (110 kV) nel settembre 2005. Tutte le apparecchiature sono state alloggiate in un rimorchio di fabbrica dal Volga seriale.

Il complesso di test mobile si basa su un generatore che converte l'energia meccanica di un'esplosione in energia elettrica. Questo processo è generalmente ben noto: si svolge in qualsiasi macchina elettrica, dove la forza meccanica guida il rotore, contrastando la forza della sua interazione con il campo magnetico dello statore. La differenza fondamentale è l'altissimo tasso di rilascio di energia durante l'esplosione, che accelera rapidamente il pistone di metallo (camicia) all'interno della bobina. Sposta il campo magnetico in microsecondi, fornendo eccitazione ad alta tensione in un trasformatore di impulsi. Dopo un'ulteriore amplificazione da parte di un trasformatore di impulsi, la tensione genera una corrente nell'oggetto di prova. L'idea di questo dispositivo appartiene al nostro eccezionale connazionale, il "padre" della bomba all'idrogeno, l'accademico A.D. Sakharov.

Un'esplosione in una speciale camera ad alta resistenza distrugge solo una bobina lunga 0,5 m e una camicia al suo interno. Gli elementi rimanenti del generatore vengono utilizzati ripetutamente. Il circuito può essere regolato in modo tale che il tasso di crescita e la durata dell'impulso generato corrispondano a parametri di corrente di fulmine simili. Inoltre, è possibile "guidarlo" in un oggetto di grande lunghezza, ad esempio in un filo tra i supporti della linea di trasmissione di potenza, nel circuito di terra di una sottostazione moderna o nella fusoliera di un aereo di linea.

Durante il test di un campione di un prototipo di generatore, sono stati inseriti nella camera solo 250 g di esplosivo. Questo è sufficiente per formare un impulso di corrente con un'ampiezza fino a 20.000 A. Tuttavia, per la prima volta non hanno avuto un effetto così radicale: la corrente era limitata artificialmente. All'inizio dell'installazione, c'era solo un leggero scoppio della telecamera. E poi le registrazioni degli oscilloscopi digitali verificate hanno mostrato: un impulso di corrente con i parametri indicati è stato introdotto con successo nel parafulmine della sottostazione. I sensori hanno notato un aumento di potenza in vari punti del circuito di terra.

Ora il complesso a tempo pieno è in fase di preparazione. Sarà sintonizzato sulla simulazione su larga scala delle correnti di fulmini e allo stesso tempo verrà posizionato sul retro di un camion seriale. La camera esplosiva del generatore è progettata per funzionare con 2 kg di esplosivo. Vi sono tutte le ragioni per credere che il complesso sarà universale. Con il suo aiuto, sarà possibile testare non solo l'energia elettrica, ma anche altri oggetti di grandi dimensioni di nuove apparecchiature per la resistenza agli effetti del campo di corrente e elettromagnetico dei fulmini: centrali nucleari, dispositivi di telecomunicazione, sistemi missilistici, ecc.

Vorrei finire l'articolo su una nota importante, soprattutto perché ci sono ragioni per questo. La messa in servizio di una struttura di prova a tempo pieno consentirà una valutazione obiettiva dell'efficacia dei dispositivi di protezione più avanzati. Tuttavia, rimane ancora qualche insoddisfazione. In effetti, la persona segue di nuovo la guida del fulmine ed è costretta a sopportare la sua volontà, perdendo molti soldi. L'uso di mezzi di protezione contro i fulmini porta ad un aumento delle dimensioni e del peso dell'oggetto e aumentano i costi di materiali scarsi.Le situazioni paradossali sono piuttosto reali quando le dimensioni dei dispositivi di protezione superano quelle dell'elemento strutturale protetto. Il folklore ingegneristico memorizza la risposta di un noto progettista di aeromobili alla proposta di progettare un velivolo assolutamente affidabile: questo lavoro può essere fatto se il cliente si riconcilia con l'unico inconveniente del progetto: l'aeromobile non si staccherà mai da terra. Oggi qualcosa di simile sta accadendo nella protezione contro i fulmini. Invece di un'offensiva, gli esperti detengono una difesa circolare. Per uscire dal circolo vizioso, è necessario comprendere il meccanismo di formazione della traiettoria del fulmine e trovare i mezzi per controllare questo processo a causa delle deboli influenze esterne. Il compito è difficile, ma lungi dall'essere senza speranza. Oggi è chiaro che un fulmine che si sposta da una nuvola alla terra non colpisce mai un oggetto di terra: dalla sua cima verso un lampo che si avvicina cresce un canale di scintilla, il cosiddetto leader in arrivo. A seconda dell'altezza dell'oggetto, si estende per decine di metri, a volte diverse centinaia e incontra un fulmine. Naturalmente, questa "data" non sempre accade: i fulmini possono mancare.

Ma è abbastanza ovvio: prima sorge il leader in arrivo, più avanzerà verso il fulmine e, quindi, maggiori saranno le possibilità che si incontrino. Pertanto, è necessario imparare a "rallentare" i canali delle scintille dagli oggetti protetti e, al contrario, a stimolare i parafulmini. La ragione dell'ottimismo è ispirata da quei campi elettrici esterni molto deboli in cui si forma un fulmine. In un temporale, un campo vicino alla terra è di circa 100-200 V / cm - circa lo stesso della superficie di un cavo elettrico di un ferro o di un rasoio elettrico. Poiché il fulmine si accontenta di una quantità così piccola, significa che gli effetti che lo controllano possono essere altrettanto deboli. È importante solo capire a che punto e in quale forma dovrebbero essere serviti. Avanti è un lavoro di ricerca difficile ma interessante.

L'accademico Vladimir FORTOV, Joint Institute for High Temperature Physics RAS, Doctor of Technical Sciences Eduard BAZELYAN, Energy Institute intitolato a GM Krzyzanowski.