Cách bảo vệ bản thân khỏi sét.

Lightning luôn đánh thức trí tưởng tượng của một người và mong muốn tìm hiểu thế giới. Cô mang lửa đến trái đất, được thuần hóa, con người trở nên mạnh mẽ hơn. Chúng tôi chưa tính đến việc chinh phục hiện tượng tự nhiên ghê gớm này, nhưng muốn "chung sống hòa bình". Rốt cuộc, thiết bị chúng ta tạo ra càng hoàn hảo thì điện khí quyển càng nguy hiểm. Một trong những phương pháp bảo vệ là sơ bộ, sử dụng một trình giả lập đặc biệt, đánh giá lỗ hổng của các cơ sở công nghiệp đối với trường sét và điện từ của sét.

Yêu cơn bão đầu tháng năm là dễ dàng cho các nhà thơ và nghệ sĩ. Kỹ sư điện, tín hiệu hoặc phi hành gia sẽ không vui mừng từ đầu mùa giông bão: anh ta hứa hẹn quá nhiều rắc rối. Trung bình, mỗi km vuông của Nga hàng năm chiếm khoảng ba lần sét đánh. Dòng điện của chúng đạt tới 30.000 A, và đối với sự phóng điện mạnh nhất, nó có thể vượt quá 200.000 A. Nhiệt độ trong kênh plasma bị ion hóa tốt, thậm chí có thể đạt tới 30.000 ° C, cao hơn nhiều lần so với hồ quang điện của máy hàn. Và tất nhiên, điều này không tốt cho nhiều cơ sở kỹ thuật. Các vụ cháy và nổ từ sét trực tiếp được các chuyên gia biết đến. Nhưng những người bình thường rõ ràng đang phóng đại nguy cơ của một sự kiện như vậy.

Đỉnh cột cờ của tháp truyền hình Ostankino. Có thể nhìn thấy dấu vết của dòng chảy lại trên thực tế. Hãy tưởng tượng: bạn đang cố gắng tạo ra lửa trong cơn bão, khi do gió mạnh rất khó để thắp sáng ngay cả rơm khô. Luồng không khí từ kênh sét thậm chí còn mạnh hơn: sự phóng điện của nó tạo ra một sóng xung kích, tiếng ầm ầm sấm sét phá vỡ và dập tắt ngọn lửa. Một nghịch lý, nhưng sét yếu là nguy cơ hỏa hoạn, đặc biệt là nếu dòng điện khoảng 100 A chảy qua kênh của nó trong một phần mười giây (đối với độ tuổi trong thế giới của tia lửa điện!), Cái sau không khác nhiều so với hồ quang và hồ quang điện sẽ đốt cháy mọi thứ có thể đốt cháy.

Tuy nhiên, đối với một tòa nhà có chiều cao bình thường, sét đánh không phải là chuyện thường xuyên xảy ra. Kinh nghiệm và lý thuyết cho thấy: nó đã thu hút được một cấu trúc mặt đất từ ​​khoảng cách gần với ba độ cao của nó. Tòa tháp mười tầng sẽ thu thập khoảng 0,08 tia sét hàng năm, tức là trung bình 1 hit trong 12,5 năm hoạt động. Một ngôi nhà có gác mái nhỏ hơn khoảng 25 lần: trung bình, chủ sở hữu sẽ phải chờ đợi trong khoảng 300 năm.

Nhưng hãy để Lừa không hạ thấp nguy hiểm. Thật vậy, nếu sét đánh ít nhất một trong số 300-400 ngôi nhà làng, cư dân địa phương khó có thể coi sự kiện này là không đáng kể. Và có những đối tượng có chiều dài lớn hơn nhiều - giả sử, đường dây điện (NEP). Chiều dài của chúng có thể vượt quá 100 km, chiều cao của chúng là 30 m. Điều này có nghĩa là mỗi người trong số họ sẽ thu thập các cú đánh từ bên phải và bên trái, với dải rộng 90 m. Tổng diện tích sét kéo kéo vượt quá 18 km2, số lượng của họ là 50 mỗi năm. Tất nhiên, các giá đỡ bằng thép của dây sẽ không bị cháy, dây sẽ không bị chảy. Sét đánh khoảng 30 lần một năm ở đỉnh cột cờ của tháp truyền hình Ostankino (Moscow), nhưng không có gì khủng khiếp xảy ra. Và để hiểu tại sao chúng nguy hiểm cho đường dây điện, bạn cần biết bản chất của điện, không phải nhiệt, hiệu ứng.

Sức mạnh chính của ánh sáng

Khi được đánh vào sự hỗ trợ của đường dây điện, dòng điện chạy vào mặt đất thông qua điện trở đất, theo quy luật, là 10-30 Ohms. Đồng thời Luật pháp ngay cả tia sét "trung bình", với dòng điện 30.000 A, tạo ra điện áp 300-900 kV và mạnh mẽ - nhiều lần hơn nữa. Vì vậy, có những cơn bão sấm sét. Nếu chúng đạt đến mức megavolt, lớp cách điện của đường dây điện không đứng vững và xuyên qua. Một mạch ngắn xảy ra. Đường dây bị ngắt kết nối. Tệ hơn nữa, khi một kênh sét đánh trực tiếp vào dây dẫn.Sau đó, quá điện áp là một thứ tự cường độ cao hơn so với thiệt hại cho hỗ trợ. Cuộc chiến chống lại hiện tượng này ngày nay vẫn là một nhiệm vụ khó khăn đối với ngành điện. Hơn nữa, với sự cải tiến của công nghệ, sự phức tạp của nó chỉ phát triển.

Tháp truyền hình Ostankino hoạt động như một cột thu lôi, đã bỏ lỡ một tia sét dưới 200 mét dưới đỉnh. Để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng nhanh của nhân loại, các nhà máy điện hiện đại phải được kết hợp thành các hệ thống mạnh mẽ. Một hệ thống năng lượng thống nhất hiện đang hoạt động ở Nga: tất cả các cơ sở của nó hoạt động kết nối với nhau. Do đó, sự cố vô tình của một đường dây truyền tải hoặc nhà máy điện có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng tương tự như những gì đã xảy ra ở Moscow vào tháng 5 năm 2005. Rất nhiều vụ tai nạn hệ thống do sét đã được ghi nhận trên thế giới. Một trong số đó - ở Mỹ năm 1968, gây ra thiệt hại hàng triệu đô la. Sau đó, một tia sét đã tắt một đường dây điện và hệ thống điện không thể đối phó với sự thiếu hụt năng lượng phát sinh.

Không có gì đáng ngạc nhiên khi các chuyên gia chú ý đến việc bảo vệ đường dây điện khỏi sét. Dọc theo toàn bộ chiều dài của đường dây trên không có điện áp từ 110 kV trở lên, cáp kim loại đặc biệt bị treo, cố gắng bảo vệ dây khỏi tiếp xúc trực tiếp từ phía trên. Cách điện của chúng được tối đa hóa, điện trở nối đất của các bộ phận hỗ trợ cực kỳ giảm và các thiết bị bán dẫn, như các thiết bị bảo vệ mạch đầu vào của máy tính hoặc TV chất lượng cao, được sử dụng để hạn chế quá áp. Đúng, sự giống nhau của chúng chỉ là về nguyên tắc hoạt động, nhưng điện áp hoạt động cho các bộ giới hạn tuyến tính được ước tính bằng hàng triệu volt - đánh giá quy mô của chi phí bảo vệ chống sét!

Mọi người thường hỏi liệu có khả thi để thiết kế một dòng chống sét tuyệt đối không? Câu trả lời là có. Nhưng ở đây có hai câu hỏi mới là không thể tránh khỏi: ai cần nó và nó sẽ có giá bao nhiêu? Thật vậy, nếu không thể làm hỏng đường dây truyền tải điện được bảo vệ đáng tin cậy, thì có thể, ví dụ, có thể tạo thành một lệnh sai để ngắt kết nối đường dây hoặc đơn giản là phá hủy các mạch tự động điện áp thấp, trong thiết kế hiện đại được xây dựng trên công nghệ vi xử lý. Điện áp hoạt động của các chip giảm hàng năm. Hôm nay nó được tính bằng đơn vị vôn. Đó là nơi có sét! Và không cần phải tấn công trực tiếp, bởi vì nó có thể hành động từ xa và ngay lập tức trên các khu vực rộng lớn. Vũ khí chính của nó là trường điện từ. Nó đã được đề cập ở trên về dòng sét, mặc dù cả dòng điện và tốc độ tăng trưởng của nó đều quan trọng để đánh giá lực điện động của cảm ứng từ. Trong sét, cái sau có thể vượt quá 2 • 1011 A / s. Trong bất kỳ mạch nào có diện tích 1 m2 ở khoảng cách 100 m tính từ kênh sét, dòng điện như vậy sẽ tạo ra điện áp cao gấp đôi so với ở các đầu ra của tòa nhà dân cư. Không cần nhiều trí tưởng tượng để tưởng tượng số phận của các vi mạch được thiết kế cho điện áp theo thứ tự một volt.

Trong thực tế thế giới, có nhiều tai nạn nghiêm trọng do sự phá hủy các mạch điều khiển sét. Danh sách này bao gồm các hư hỏng đối với các thiết bị trên máy bay và tàu vũ trụ, tắt máy toàn bộ các gói của các đường dây điện áp cao, và các thiết bị của hệ thống thông tin di động ăng ten. Thật không may, một nơi đáng chú ý ở đây cũng bị chiếm giữ bởi những thiệt hại của người Hồi giáo đối với những công dân bình thường có thể bị thiệt hại bởi các thiết bị gia dụng đang ngày càng lấp đầy nhà cửa của chúng ta.

CÁCH BẢO VỆ

Chúng ta đã quen dựa vào việc chống sét. Bạn có nhớ bài thơ ca ngợi nhà khoa học vĩ đại của thế kỷ XVIII, nhà học giả Mikhail Lomonosov về phát minh của họ không? Người đồng hương nổi tiếng của chúng tôi rất vui mừng với chiến thắng, nói rằng lửa trên trời đã không còn nguy hiểm. Tất nhiên, thiết bị này trên nóc tòa nhà dân cư sẽ không cho phép sét đánh vào sàn gỗ hoặc các vật liệu xây dựng dễ cháy khác. Liên quan đến hiệu ứng điện từ, anh ta bất lực. Nó không có sự khác biệt cho dù dòng sét chạy trong kênh của nó hoặc thông qua thanh kim loại của cột thu lôi, tuy nhiên nó vẫn kích thích một từ trường và tạo ra một điện áp nguy hiểm thông qua cảm ứng từ trong các mạch điện bên trong. Để chống lại điều này một cách hiệu quả, cần có một cột thu lôi để chặn kênh phóng điện ở các phương pháp tiếp cận từ xa đến đối tượng được bảo vệ, tức là trở nên rất cao, bởi vì điện áp cảm ứng tỷ lệ nghịch với khoảng cách đến dây dẫn hiện tại.

Ngày nay, kinh nghiệm tuyệt vời đã đạt được khi sử dụng các cấu trúc như vậy có độ cao khác nhau.Tuy nhiên, số liệu thống kê không được an ủi cho lắm. Vùng bảo vệ của một cột thu lôi thường được trình bày dưới dạng hình nón, trục của nó, nhưng với một đỉnh nằm hơi thấp hơn đầu trên của nó. Thông thường, lõi lõi dài 30 mét cung cấp độ tin cậy bảo vệ tòa nhà 99% nếu nó tăng khoảng 6 mét so với nó. Để đạt được điều này không phải là vấn đề. Nhưng với sự gia tăng chiều cao của cột thu lôi, khoảng cách từ đỉnh của nó đến vật thể được che phủ của Google, mức tối thiểu cần thiết để bảo vệ thỏa đáng, đang tăng lên nhanh chóng. Đối với cấu trúc 200 mét có cùng độ tin cậy, tham số này đã vượt quá 60 m và đối với cấu trúc 500 mét - 200 m.

Tháp truyền hình Ostankino đã nói ở trên cũng đóng một vai trò tương tự: nó không có khả năng tự bảo vệ, nó vượt qua các tia sét ở khoảng cách 200 m dưới đỉnh. Bán kính của vùng bảo vệ ở mặt đất đối với các cột thu lôi cao cũng tăng mạnh: đối với chiều cao 30 mét, nó tương đương với chiều cao của nó, đối với cùng một tháp truyền hình - 1/5 chiều cao của nó.

Nói cách khác, người ta không thể hy vọng rằng các cột thu lôi của một thiết kế truyền thống sẽ có thể chặn được tia sét ở khoảng cách xa tới vật thể, đặc biệt nếu cái sau chiếm một diện tích lớn trên bề mặt trái đất. Điều này có nghĩa là chúng ta phải tính toán xác suất thực sự của việc phóng sét vào lãnh thổ của các nhà máy điện và trạm biến áp, sân bay, kho chứa nhiên liệu lỏng và khí, trường ăng ten mở rộng. Trải rộng trong lòng đất, dòng sét một phần đi vào vô số thông tin liên lạc ngầm của các vật thể kỹ thuật hiện đại. Theo quy định, có các mạch điện của hệ thống tự động hóa, điều khiển và xử lý thông tin - các thiết bị rất vi điện tử được đề cập ở trên. Nhân tiện, việc tính toán dòng điện trong trái đất rất phức tạp ngay cả trong công thức đơn giản nhất. Khó khăn trở nên trầm trọng hơn do sự thay đổi mạnh mẽ về sức đề kháng của hầu hết các loại đất, tùy thuộc vào cường độ dòng điện kiloampere lan truyền trong chúng, vốn chỉ là đặc trưng của sự phóng điện trong khí quyển. Định luật Ohm không áp dụng cho việc tính toán các mạch có điện trở phi tuyến như vậy.

Đối với tính phi tuyến của đất liền "của đất được thêm vào xác suất hình thành các kênh tia lửa mở rộng trong đó. Đội sửa chữa của các tuyến cáp được làm quen với một hình ảnh như vậy. Một luống kéo dài dọc theo mặt đất từ ​​một cái cây cao ở bìa rừng, như thể từ một chiếc máy cày hoặc một chiếc máy cày cũ, và bị đứt ngay phía trên đường cáp điện thoại ngầm bị hư hại ở nơi này - vỏ kim loại bị vò nát, lớp cách điện của lõi bị phá hủy. Thế là hiệu ứng sét xuất hiện. Cô đâm vào một cái cây, và dòng điện của nó, lan dọc theo rễ, tạo ra một điện trường mạnh trong lòng đất, hình thành một kênh tia lửa plasma trong đó. Trên thực tế, sét tiếp tục phát triển, vì nó không chỉ xuyên qua không khí mà còn ở trong lòng đất. Và do đó, nó có thể vượt qua hàng chục, và trong các dòng đất đặc biệt kém dẫn điện (đá hoặc băng vĩnh cửu) và hàng trăm mét. Việc đột phá đối tượng không được thực hiện theo cách truyền thống - từ trên cao, mà bỏ qua bất kỳ cột thu lôi nào từ bên dưới. Chất thải trượt dọc theo bề mặt đất được tái tạo tốt trong phòng thí nghiệm. Tất cả những hiện tượng phức tạp và phi tuyến tính cao này cần nghiên cứu thực nghiệm, mô hình hóa.

Dòng điện để tạo ra sự phóng điện có thể được tạo ra bởi một nguồn xung nhân tạo. Năng lượng được tích lũy trong khoảng một phút trong một ngân hàng tụ điện, và sau đó, tràn vào bể với đất trong một chục micro giây. Ổ đĩa điện dung như vậy là trong nhiều trung tâm nghiên cứu điện áp cao. Kích thước của chúng đạt tới hàng chục mét, khối lượng - hàng chục tấn. Bạn không thể cung cấp như vậy đến lãnh thổ của một trạm biến áp điện hoặc cơ sở công nghiệp khác để tái tạo đầy đủ các điều kiện cho sự lan truyền của dòng sét. Điều này chỉ có thể xảy ra một cách tình cờ, khi vật thể nằm cạnh một điện áp cao - ví dụ, trong một cài đặt mở của Viện nghiên cứu năng lượng Siberia, một máy phát điện áp cao xung được đặt bên cạnh đường dây 110 kV. Nhưng điều này, tất nhiên, là một ngoại lệ.

Thiết bị mô phỏng sét

Trong thực tế, đây không phải là một thử nghiệm độc đáo, mà là một tình huống thông thường.Các chuyên gia đang rất cần một mô phỏng toàn diện của dòng sét, vì đây là cách duy nhất để có được một bức tranh đáng tin cậy về sự phân phối dòng điện trong các tiện ích ngầm, đo lường tác động của trường điện từ trên các thiết bị vi xử lý và xác định tính chất của sự lan truyền của các kênh tia lửa trượt. Các thử nghiệm tương ứng sẽ trở nên phổ biến và được thực hiện trước khi đưa vào vận hành từng cơ sở kỹ thuật có trách nhiệm mới, như đã được thực hiện từ lâu trong ngành hàng không và du hành vũ trụ. Ngày nay, không có sự thay thế nào ngoài việc tạo ra một nguồn xung mạnh mẽ nhưng có kích thước nhỏ và di động với các tham số dòng sét. Mô hình nguyên mẫu của nó đã tồn tại và đã được thử nghiệm thành công tại trạm biến áp Donino (110 kV) vào tháng 9 năm 2005. Tất cả các thiết bị được đặt trong một đoạn giới thiệu nhà máy từ Volga nối tiếp.

Tổ hợp thử nghiệm di động dựa trên một máy phát chuyển đổi năng lượng cơ học của vụ nổ thành năng lượng điện. Quá trình này thường được biết đến: nó diễn ra trong bất kỳ máy điện nào, trong đó lực cơ học điều khiển rôto, chống lại lực tương tác của nó với từ trường của stato. Sự khác biệt cơ bản là tốc độ giải phóng năng lượng cực cao trong vụ nổ, giúp nhanh chóng tăng tốc piston kim loại (lớp lót) bên trong cuộn dây. Nó thay thế từ trường trong vài giây, cung cấp sự kích thích điện áp cao trong một máy biến áp xung. Sau khi khuếch đại bổ sung bởi một biến áp xung, điện áp tạo ra một dòng điện trong đối tượng thử nghiệm. Ý tưởng về thiết bị này thuộc về người đồng hương xuất sắc của chúng tôi, "cha đẻ" của bom hydro, Viện sĩ A.D. Sakharov.

Một vụ nổ trong buồng cường độ cao đặc biệt chỉ phá hủy một cuộn dây dài 0,5 m và một lớp lót bên trong nó. Các yếu tố còn lại của máy phát điện được sử dụng nhiều lần. Mạch có thể được điều chỉnh sao cho tốc độ tăng trưởng và thời gian của xung được tạo ra tương ứng với các tham số dòng sét tương tự. Ngoài ra, có thể điều khiển, đưa nó vào một vật thể có chiều dài lớn, ví dụ, vào một dây giữa các bộ phận truyền tải điện, vào vòng lặp trên mặt đất của một trạm biến áp hiện đại hoặc vào thân máy bay.

Khi thử nghiệm một mẫu máy phát nguyên mẫu, chỉ có 250 g chất nổ được đưa vào buồng. Điều này đủ để tạo thành một xung hiện tại với biên độ lên tới 20.000 A. Tuy nhiên, lần đầu tiên chúng không mang lại hiệu ứng triệt để như vậy - dòng điện bị giới hạn một cách giả tạo. Khi bắt đầu cài đặt, chỉ có một tiếng nổ nhẹ của máy ảnh nổ. Và sau đó các bản ghi của máy hiện sóng kỹ thuật số, sau đó đã được kiểm tra, cho thấy: một xung hiện tại với các tham số đã cho đã được đưa vào thành công vào dây dẫn sét của trạm biến áp. Các cảm biến ghi nhận sự gia tăng sức mạnh tại các điểm khác nhau trong vòng lặp mặt đất.

Bây giờ phức tạp toàn thời gian đang trong quá trình chuẩn bị. Nó sẽ được điều chỉnh để mô phỏng toàn bộ dòng sét và đồng thời sẽ được đặt ở phía sau của một chiếc xe tải nối tiếp. Buồng nổ của máy phát được thiết kế để hoạt động với 2 kg thuốc nổ. Có mọi lý do để tin rằng sự phức tạp sẽ là phổ quát. Với sự giúp đỡ của nó, sẽ có thể kiểm tra không chỉ năng lượng điện, mà cả các vật thể mới có kích thước lớn khác của thiết bị mới để chống lại tác động của dòng điện và trường điện từ của sét: nhà máy điện hạt nhân, thiết bị viễn thông, hệ thống tên lửa, v.v.

Tôi muốn hoàn thành bài viết trên một lưu ý lớn, đặc biệt là vì có lý do cho việc này. Việc vận hành một cơ sở thử nghiệm toàn thời gian sẽ cho phép đánh giá khách quan về hiệu quả của các thiết bị bảo vệ tiên tiến nhất. Tuy nhiên, một số sự không hài lòng vẫn còn. Trên thực tế, người này một lần nữa đi theo sự dẫn dắt của sét và buộc phải chịu đựng sự cố ý của cô, trong khi mất rất nhiều tiền. Việc sử dụng chống sét có nghĩa là dẫn đến sự gia tăng kích thước và trọng lượng của vật thể, chi phí vật liệu khan hiếm đang tăng lên.Các tình huống nghịch lý là khá thực tế khi kích thước của thiết bị bảo vệ vượt quá các yếu tố cấu trúc được bảo vệ. Văn hóa dân gian lưu trữ phản ứng của một nhà thiết kế máy bay nổi tiếng với đề xuất thiết kế một chiếc máy bay hoàn toàn đáng tin cậy: công việc này có thể được thực hiện nếu khách hàng hòa giải với nhược điểm duy nhất của dự án - máy bay sẽ không bao giờ rời khỏi mặt đất. Một cái gì đó tương tự đang xảy ra trong bảo vệ chống sét ngày hôm nay. Thay vì tấn công, các chuyên gia tổ chức phòng thủ vòng tròn. Để thoát ra khỏi vòng luẩn quẩn, bạn cần hiểu cơ chế hình thành quỹ đạo sét và tìm phương tiện kiểm soát quá trình này do ảnh hưởng bên ngoài yếu. Nhiệm vụ là khó khăn, nhưng xa vô vọng. Ngày nay, rõ ràng là sét di chuyển từ một đám mây xuống trái đất không bao giờ tấn công một vật thể trên mặt đất: từ đỉnh của nó tới một tia sét đang đến gần, một kênh tia lửa phát triển, cái gọi là nhà lãnh đạo sắp tới. Tùy thuộc vào chiều cao của vật thể, nó kéo dài hàng chục mét, đôi khi vài trăm và gặp sét. Tất nhiên, ngày này không phải lúc nào cũng xảy ra - sét có thể bỏ lỡ.

Nhưng điều đó khá rõ ràng: nhà lãnh đạo sắp tới càng phát sinh, anh ta sẽ càng tiến xa hơn và do đó, càng có nhiều cơ hội để họ gặp nhau. Do đó, bạn cần học cách "làm chậm" các kênh tia lửa từ các vật thể được bảo vệ và ngược lại, để kích thích từ các dây dẫn sét. Lý do cho sự lạc quan được lấy cảm hứng từ những điện trường bên ngoài rất yếu trong đó sét được hình thành. Trong giông bão, một cánh đồng gần trái đất khoảng 100-200 V / cm - tương đương với trên bề mặt dây điện của máy cạo râu bằng sắt hoặc điện. Vì sét có nội dung với một lượng nhỏ như vậy, điều đó có nghĩa là các hiệu ứng kiểm soát nó có thể yếu như vậy. Điều quan trọng chỉ là hiểu tại điểm nào và ở dạng nào chúng nên được phục vụ. Phía trước là một công việc nghiên cứu khó khăn nhưng thú vị.

Viện sĩ Vladimir FORTOV, Viện nghiên cứu vật lý nhiệt độ cao RAS, Tiến sĩ khoa học kỹ thuật Eduard BAZELYAN, Viện năng lượng được đặt theo tên G.M. Krzhizhanovsky.