كيف تحمي نفسك من البرق

أيقظ البرق دائمًا خيال الشخص ورغبته في معرفة العالم. لقد جلبت النار إلى الأرض ، بعد أن تروضت ، وأصبح الناس أكثر قوة. نحن لا نعول بعد على غزو هذه الظاهرة الطبيعية الهائلة ، لكننا نرغب في "التعايش السلمي". بعد كل شيء ، كلما كانت المعدات التي نقوم بإنشائها مثالية ، كانت الكهرباء الجوية الأكثر خطورة هي لذلك. تتمثل إحدى طرق الحماية في إجراء تقييم مبدئي ، باستخدام جهاز محاكاة خاص ، لتقييم مدى تعرض المنشآت الصناعية لمجال البرق الحالي والكهرومغناطيسي.

حب العاصفة في أوائل شهر مايو سهل للشعراء والفنانين. لن يسعد مهندس الطاقة أو رجل الإشارة أو رائد الفضاء منذ بداية موسم العواصف الرعدية: إنه يعد بالكثير من المتاعب. في المتوسط ​​، يمثل كل كيلومتر مربع من روسيا سنويًا حوالي ثلاث ضربات صاعقة. يصل التيار الكهربائي إلى 30000 A ، وبالنسبة لأقوى عمليات التصريف ، فإنه يمكن أن يتجاوز 200000 A. يمكن أن تصل درجة الحرارة في قناة بلازما مؤينة جيدًا حتى البرق المعتدل إلى 30،000 درجة مئوية ، وهو أعلى عدة مرات من القوس الكهربائي لآلة اللحام. وبالطبع ، هذا لا يبشر بالخير بالنسبة للعديد من المنشآت التقنية. الحرائق والانفجارات الناتجة عن البرق المباشر معروفة لدى المتخصصين. لكن الناس العاديين يبالغون بوضوح في خطر حدوث مثل هذا الحدث.

طرف سارية برج التلفزيون Ostankino. آثار الانعكاس مرئية ، في الواقع ، "أخف وزنا الكهربائية السماوية" ليست فعالة جدا. تخيل أنك تحاول إشعال النار أثناء إعصار ، عندما يكون من الصعب أن تضيء قشة جافة بسبب الرياح القوية. يكون مجرى الهواء من قناة البرق أكثر قوة: يؤدي تفريغها إلى موجة صدمة ، وتحدث الدمدمة الرعدية وتكسر اللهب. من المفارقات ، لكن البرق الضعيف يشكل خطرًا على الحرائق ، خاصة إذا كان تيار يبلغ حوالي 100 ألف يتدفق عبر قناته لعشر ثوانٍ (للأعمار في عالم تصريف الشرارة!) ، لا يختلف الأخير كثيرًا عن القوس ، والقوس الكهربائي سيشعل كل شيء يمكن أن يحترق.

ومع ذلك ، بالنسبة للمبنى ذي الارتفاع الطبيعي ، فإن ضربات الصواعق ليست أمرًا متكررًا. تُظهر التجربة والنظرية: "تنجذب" إلى بنية الأرض من مسافة قريبة من ارتفاعاتها الثلاثة. سيجمع البرج المؤلف من عشرة طوابق حوالي 0.08 من البرق سنويًا ، أي ما معدله 1 إصابة في 12.5 سنة من التشغيل كوخ مع علية أصغر بنحو 25 مرة: في المتوسط ​​، سيتعين على المالك "الانتظار" لنحو 300 عام.

ولكن دعونا لا نقلل من شأن الخطر. في الواقع ، إذا ضرب البرق واحدًا على الأقل من 300-400 منزل في القرية ، فمن غير المرجح أن يعتبر السكان المحليون هذا الحدث غير ذي أهمية. ولكن هناك أشياء ذات طول أكبر بكثير - مثل خطوط الطاقة (NEP). قد يتجاوز طولها 100 كم ، وارتفاعها 30 مترًا ، وهذا يعني أن كل واحد منهم سيجمع ضربات من اليمين واليسار ، بعرض 90 مترًا ، وستتجاوز المساحة الكلية "للصواعق" 18 كم 2 ، وعددهم 50 كل عام. بالطبع ، لن تحترق الدعامات الفولاذية للخط ، ولن تذوب الأسلاك. يضرب البرق حوالي 30 مرة في السنة عند طرف سارية العلم في برج تلفزيون أوستانكينو (موسكو) ، لكن لا شيء فظيعًا يحدث. ولفهم سبب كونها خطرة بالنسبة لخطوط الطاقة ، تحتاج إلى معرفة طبيعة التأثيرات الكهربائية ، وليس الحرارية.

القوة الرئيسية للإضاءة

عندما يصطدم بدعم الخط الكهربائي ، يتدفق التيار إلى الأرض من خلال المقاومة الأرضية ، والتي ، كقاعدة عامة ، تتراوح من 10 إلى 30 أوم. في نفس الوقت قانون أوم حتى البرق "المتوسط" ، بتيار 30000 ألف ، ينتج جهدًا يتراوح بين 300 و 900 كيلو فولت ، وقويًا - عدة مرات أكثر. لذلك هناك عواصف رعدية زائدة. إذا وصلوا إلى مستوى megavolt ، فإن عزل خط نقل الطاقة لا يتحمل وينفجر. يحدث ماس كهربائى. الخط مفصول. والأسوأ من ذلك ، عندما تنفجر قناة البرق مباشرة إلى الأسلاك.ثم الجهد الزائد هو ترتيب من حجم أعلى من الضرر مع الدعم. تبقى المعركة ضد هذه الظاهرة اليوم مهمة صعبة لصناعة الطاقة الكهربائية. علاوة على ذلك ، مع تحسن التكنولوجيا ، يزداد تعقيدها فقط.

كان برج تلفزيون أوستانكينو بمثابة قضيب مانع للصواعق ، فقد فاته ضربة صاعقة على بعد 200 متر تحت الذروة. ولتلبية احتياجات الطاقة المتزايدة بسرعة للبشرية ، يجب دمج محطات الطاقة الحديثة في أنظمة قوية. نظام الطاقة الموحد يعمل الآن في روسيا: جميع مرافقه تعمل بشكل مترابط. لذلك ، يمكن أن يؤدي الفشل العرضي حتى لخط نقل أو محطة واحدة لتوليد الطاقة إلى عواقب وخيمة مماثلة لما حدث في موسكو في مايو 2005. وقد لوحظت الكثير من حوادث النظام الناجمة عن الصواعق في العالم. واحد منهم - في الولايات المتحدة الأمريكية في عام 1968 ، تسبب في أضرار بملايين الدولارات. ثم أوقف تفريغ البرق خط كهرباء واحد ، ولم يتمكن نظام الطاقة من مواجهة عجز الطاقة الذي نشأ.

ليس من المستغرب أن يولي المتخصصون الاهتمام اللازم لحماية خطوط الكهرباء من الصواعق. يتم تعليق الكابلات المعدنية الخاصة على طول الخطوط العلوية بالكامل بجهد 110 كيلو فولت وأكثر ، في محاولة لحماية الأسلاك من الاتصال المباشر من الأعلى. يتم زيادة عزلها إلى الحد الأقصى ، ومقاومة التأريض للدعامات منخفضة للغاية ، وتستخدم أجهزة أشباه الموصلات ، مثل تلك التي تحمي دوائر الإدخال لأجهزة الكمبيوتر أو أجهزة التلفزيون عالية الجودة ، للحد من الجهد الزائد. صحيح أن التشابه بينهما هو من حيث المبدأ فقط من حيث التشغيل ، لكن جهد التشغيل الخاص بالمحددات الخطية يقدر بملايين فولتات - قم بتقييم مقياس تكلفة الحماية من الصواعق!

يسأل الناس غالبًا ما إذا كان من الممكن تصميم خط مقاوم تمامًا للصواعق؟ الجواب نعم. ولكن هنا سؤالان جديدان أمران لا مفر منهما: من الذي يحتاج إليه وكم ستكون التكلفة؟ في الواقع ، إذا كان من المستحيل إلحاق الضرر بخط نقل الطاقة المحمي بشكل موثوق ، فمن الممكن ، على سبيل المثال ، تشكيل أمر زائف لقطع الخط أو ببساطة تدمير دوائر أتمتة الجهد المنخفض ، والتي بنيت في التصميم الحديث على تكنولوجيا المعالجات الدقيقة. الجهد التشغيلي للرقائق يتناقص كل عام. اليوم يتم حسابه في وحدات فولت. هذا هو المكان الذي يوجد فيه مجال للبرق! وليس هناك حاجة لإضراب مباشر ، لأنه قادر على التحرك عن بعد وعلى الفور في مناطق واسعة. سلاحها الرئيسي هو المجال الكهرومغناطيسي. لقد تم ذكره أعلاه حول التيار البرق ، على الرغم من أن كل من معدل النمو الحالي ونموه مهمان لتقييم القوة الدافعة الكهربائية للتحريض المغناطيسي. في البرق ، يمكن أن يتجاوز الأخير 2 • 1011 A / s. في أي دائرة تبلغ مساحتها 1 متر مربع على مسافة 100 متر من قناة البرق ، سيؤدي هذا التيار إلى توليد جهد يبلغ نحو ضعف ما هو عليه في منافذ مبنى سكني. لا يتطلب الأمر تخيلًا كبيرًا لتخيل مصير الرقائق المصممة للجهد بترتيب واحد فولت.

في الممارسة العالمية ، هناك العديد من الحوادث الخطيرة بسبب تدمير دوائر التحكم في الصواعق. تشمل هذه القائمة الأضرار التي لحقت بالمعدات الموجودة على متن الطائرات والمركبات الفضائية ، والإغلاقات الخاطئة عن "حزم" كاملة لخطوط الطاقة عالية الجهد ، وفشل معدات أنظمة الاتصالات المتنقلة للهوائي. لسوء الحظ ، هناك مكان ملحوظ هنا يشغله "الضرر" الذي يلحق بجيوب المواطنين العاديين بسبب الأضرار التي لحقت بالأجهزة المنزلية ، والتي يقوم عدد متزايد منها بملء منازلنا.

طرق الحماية

تعودنا على الاعتماد على الحماية من الصواعق. تذكر قصيدة للعالم الكبير في القرن الثامن عشر ، الأكاديمي ميخائيل لومونوسوف على اختراعهم؟ وقال مواطننا الشهير كان سعيدا بالفوز ، أن النار السماوية قد توقفت عن أن تكون خطرة. بالطبع ، لن يسمح هذا الجهاز على سطح مبنى سكني برقًا لإشعال النار في أرضيات خشبية أو مواد بناء أخرى قابلة للاحتراق. فيما يتعلق بالتأثيرات الكهرومغناطيسية ، فهو عاجز. لا فرق بين ما إذا كان تيار البرق يتدفق في قناته أو من خلال قضيب معدني لقضيب الصواعق ، ومع ذلك فإنه يثير المجال المغنطيسي ويحث على جهد خطير من خلال الحث المغنطيسي في الدوائر الكهربائية الداخلية. لمكافحة هذا الأمر بفعالية ، يلزم وجود مانع صواعق لاعتراض قناة التصريف عند الاقتراب عن بُعد من الكائن المحمي ، أي تصبح عالية جدا ، لأن الجهد المستحث يتناسب عكسيا مع المسافة إلى الموصل الحالي.

اليوم ، اكتسبت خبرة كبيرة في استخدام مثل هذه الهياكل من ارتفاعات مختلفة.ومع ذلك ، فإن الإحصاءات ليست مريحة للغاية. عادة ما يتم تقديم منطقة الحماية الخاصة بقضيب مانع الصواعق في شكل مخروط ، محوره ، ولكن مع قمة تقع قليلاً أقل من نهايتها العليا. عادةً ما يوفر "النواة" التي يبلغ طولها 30 مترًا موثوقية بنسبة 99٪ في حماية المبنى إذا ارتفع ارتفاعها حوالي 6 أمتار. ولكن مع زيادة ارتفاع قضيب الصاعقة ، فإن المسافة من أعلى إلى الكائن "المغطى" ، وهو الحد الأدنى الضروري للحماية المرضية ، تنمو بسرعة. بالنسبة إلى هيكل 200 متر بنفس درجة الموثوقية ، تتجاوز هذه المعلمة بالفعل 60 مترًا ، وبنية 500 متر - 200 متر.

كما يلعب برج تلفزيون أوستانكينو المذكور أعلاه دورًا مشابهًا: فهو غير قادر على حماية نفسه ، فهو يمر بضربات البرق على مسافة 200 متر تحت القمة. يزداد أيضًا بشكل حاد نصف قطر منطقة الحماية على مستوى الأرض لقضبان البرق العالية: بالنسبة إلى ارتفاع 30 مترًا ، يمكن مقارنته بارتفاعه لبرج التلفزيون نفسه - 1/5 من ارتفاعه.

وبعبارة أخرى ، لا يمكن للمرء أن يأمل في أن تتمكن صواعق البرق ذات التصميم التقليدي من اعتراض البرق من النواحي البعيدة للكائن ، خاصة إذا كان الأخير يحتل مساحة كبيرة على سطح الأرض. هذا يعني أنه يجب علينا أن نحسب الاحتمال الحقيقي لتصريف البرق في أراضي محطات الطاقة والمحطات الفرعية ، والمطارات ، ومستودعات الوقود السائل والغازي ، وحقول الهوائي الموسعة. ينتشر التيار في الأرض ، جزئياً ، ويدخل جزئيًا في الاتصالات العديدة للمرافق التقنية الحديثة. كقاعدة عامة ، هناك دوائر كهربائية لأنظمة الأتمتة والتحكم ومعالجة المعلومات - الأجهزة الإلكترونية الدقيقة للغاية المذكورة أعلاه. بالمناسبة ، يكون حساب التيارات في الأرض معقدًا حتى في أبسط صيغة. تتفاقم الصعوبات بسبب التغيرات القوية في مقاومة معظم التربة ، وهذا يتوقف على قوة التيارات التي تنتشر بالكيلومبيري فيها ، والتي هي مجرد خاصية لتصريف الكهرباء في الغلاف الجوي. لا ينطبق قانون أوم على حساب الدوائر بمثل هذه المقاومة غير الخطية.

يضاف إلى "اللاخطية" للتربة احتمال تشكيل قنوات شرارة ممتدة فيه. تعرف أطقم إصلاح خطوط الكابلات جيدًا على هذه الصورة. يمتد ثلم على طول الأرض من شجرة طويلة على حافة الغابة ، كما لو كان من محراث أو محراث قديم ، وينطلق مباشرة فوق مسار كابل هاتف تحت الأرض معطوب في هذا المكان - يتم غمد الغطاء المعدني وتدمير عزل النوى. وبالتالي فإن تأثير البرق يتجلى. لقد ضربت شجرة ، وساهم تيارها ، الذي يمتد على طول الجذور ، في إنشاء حقل كهربائي قوي في الأرض ، وشكل قناة شرارة بالبلازما فيها. في الواقع ، واصل البرق تطوره ، كما كان ، ليس فقط من خلال الهواء ، ولكن في الأرض. وهكذا يمكن أن يمر العشرات ، وخاصة التيارات التي لا تتصرف بشكل سيء (الصخرية أو التربة الصقيعية) ومئات الأمتار. لا يتم تنفيذ الاختراق في الكائن بالطريقة التقليدية - من الأعلى ، ولكن تجاوز أي قضبان البرق من أسفل. يتم تفريغها جيدا التصريفات انزلاق على طول سطح التربة في المختبر. كل هذه الظواهر المعقدة وغير الخطية تحتاج إلى بحث تجريبي ونمذجة.

يمكن توليد التيار لتوليد تصريف بواسطة مصدر نابض اصطناعي. تتراكم الطاقة في بنك المكثف لمدة دقيقة تقريبًا ، ثم "تُنسكب" في البركة مع التربة في عشرات من مايكروثانية. توجد محركات الأقراص ذات السعة في العديد من مراكز الأبحاث ذات الجهد العالي. أبعادها تصل إلى عشرات الأمتار ، وعشرات الأطنان من الأطنان. لا يمكنك إيصال هذا إلى أراضي محطة فرعية كهربائية أو منشأة صناعية أخرى من أجل إعادة إنتاج شروط تيارات البرق بشكل كامل. لا يمكن تحقيق ذلك إلا عن طريق الصدفة ، عندما يكون الكائن متاخمًا لحامل الجهد العالي - على سبيل المثال ، عند التثبيت المفتوح لمعهد Siberian Research Institute of Energy ، يتم وضع مولد نابض عالي الجهد بجوار خط نقل 110 كيلو فولت. لكن هذا ، بالطبع ، استثناء.

البرق بولت محاكي

في الواقع ، لا ينبغي أن تكون هذه تجربة فريدة من نوعها ، ولكنها حالة عادية.يحتاج المتخصصون بشدة إلى محاكاة واسعة النطاق لتيار البرق ، لأن هذه هي الطريقة الوحيدة للحصول على صورة موثوقة لتوزيع التيارات في المرافق تحت الأرض ، وقياس آثار المجال الكهرومغناطيسي على أجهزة المعالجات الدقيقة ، وتحديد طبيعة انتشار قنوات الشرارة المنزلق. يجب أن تصبح الاختبارات المقابلة واسعة الانتشار ويجب تنفيذها قبل تشغيل كل منشأة تقنية جديدة مسؤولة بشكل أساسي ، كما حدث منذ فترة طويلة في مجال الطيران والفضاء. اليوم لا يوجد بديل سوى إنشاء مصدر قوي ولكنه صغير الحجم ومتحرك لتيارات النبض مع بارامترات التيار البرق. نموذج النموذج الأولي موجود بالفعل وتم اختباره بنجاح في محطة Donino الفرعية (110 كيلو فولت) في سبتمبر 2005. تم وضع جميع المعدات في مقطورة المصنع من سلسلة Volga.

يعتمد مجمع الاختبارات المتنقلة على مولد يعمل على تحويل الطاقة الميكانيكية للانفجار إلى طاقة كهربائية. هذه العملية معروفة جيدًا: إنها تحدث في أي آلة كهربائية ، حيث تقود القوة الميكانيكية الدوار ، مما يقاوم قوة تفاعلها مع المجال المغناطيسي الثابت. الفرق الأساسي هو ارتفاع معدل إطلاق الطاقة خلال الانفجار ، والذي يسرع بسرعة مكبس (بطانة) المعادن داخل الملف. إنه يزيح المجال المغناطيسي في ميكروثانية ، مما يوفر إثارة عالية الجهد في محول النبض. بعد التضخيم الإضافي بواسطة محول النبض ، يولد الجهد تيارًا في كائن الاختبار. تنتمي فكرة هذا الجهاز إلى مواطننا البارز ، "والد" القنبلة الهيدروجينية ، الأكاديمي A.D. ساخاروف.

انفجار في غرفة خاصة عالية القوة يدمر فقط لفائف بطول 0.5 متر وبطانة داخلها. وتستخدم العناصر المتبقية من المولد مرارا وتكرارا. يمكن ضبط الدائرة بحيث يتوافق معدل النمو ومدة النبضة المولدة مع معلمات التيار البرق المماثلة. علاوة على ذلك ، من الممكن "دفعها" إلى كائن ذي طول كبير ، على سبيل المثال ، إلى سلك بين دعامات خط نقل الطاقة ، أو في حلقة الأرض لمحطة فرعية حديثة أو في جسم الطائرة الخاص بطائرة.

عند اختبار عينة مولد النموذج الأولي ، وضعت فقط 250 غرام من المتفجرات في الغرفة. هذا يكفي لتشكيل نبض الحالي بسعة تصل إلى 20،000 A. ومع ذلك ، لأول مرة لم يذهب لهذا التأثير الجذري - كان محدودا الحالي بشكل مصطنع. في بداية التثبيت ، كان هناك فقط ضوء ظهرت من الكاميرا الانفجار. وبعد ذلك ، أظهرت سجلات الذبذبات الرقمية ، التي تم فحصها بعد ذلك ،: تم إدخال نبضة حالية مع المعلمات المحددة بنجاح في موصل البرق للمحطة الفرعية. لاحظت أجهزة الاستشعار زيادة الطاقة في نقاط مختلفة في حلقة الأرض.

الآن المجمع بدوام كامل في طور الإعداد. سيتم ضبطها على محاكاة واسعة النطاق لتيارات البرق وفي نفس الوقت سيتم وضعها في الجزء الخلفي من شاحنة مسلسل. تم تصميم غرفة المتفجر للمولد للعمل مع 2 كجم من المتفجرات. هناك كل سبب للاعتقاد بأن المجمع سيكون عالميا. مع ذلك ، سيكون من الممكن اختبار ليس فقط الطاقة الكهربائية ، ولكن أيضًا الأشياء الأخرى كبيرة الحجم للتكنولوجيا الجديدة لمقاومة آثار مجال البرق الحالي والكهرومغناطيسي: محطات الطاقة النووية وأجهزة الاتصالات السلكية واللاسلكية وأنظمة الصواريخ ، إلخ.

أود أن أنهي المقال في ملاحظة مهمة ، خاصة وأن هناك أسباب لذلك. سيمكّن تشغيل منشأة اختبار بدوام كامل من التقييم الموضوعي لفعالية معدات الحماية الأكثر تطوراً. ومع ذلك ، لا يزال هناك بعض الاستياء. في الواقع ، فإن الشخص يتبع خطى الصواعق مرة أخرى ويجبر على تحمل إرادتها ، بينما يخسر الكثير من المال. استخدام وسائل الحماية من الصواعق يؤدي إلى زيادة في حجم ووزن الجسم ، وتكاليف المواد النادرة في تزايد.تكون المواقف المتناقضة حقيقية تمامًا عندما تتجاوز أحجام أجهزة الحماية تلك الخاصة بالعنصر الإنشائي المحمي. يخزن الفولكلور الهندسي استجابة مصمم الطائرات المشهور لاقتراح تصميم طائرة موثوقة تمامًا: يمكن القيام بهذا العمل إذا تصالح العميل مع العائق الوحيد للمشروع - لن تنطلق الطائرة أبدًا. شيء مماثل يحدث في الحماية من الصواعق اليوم. بدلاً من الهجوم ، يعقد الخبراء دفاعًا دائريًا. للخروج من الحلقة المفرغة ، تحتاج إلى فهم آلية تكوين مسار البرق وإيجاد وسائل للسيطرة على هذه العملية بسبب التأثيرات الخارجية الضعيفة. المهمة صعبة ولكنها بعيدة عن اليأس. من الواضح اليوم أن البرق الذي يتحرك من سحابة إلى الأرض لا يصطدم أبدًا بجسم أرضي: فمن أعلى إلى اتجاه صاعقة تقترب قناة شرارة ، ما يسمى بالقائد القادم. بناءً على ارتفاع الجسم ، فهو يمتد لعشرات الأمتار ، وأحيانًا عدة مئات ويجتمع البرق. بالطبع ، لا يحدث هذا "التاريخ" دائمًا - فقد يفقد البرق.

لكن الأمر واضح تمامًا: فكلما أسرع ظهور القائد الجديد ، زاد تقدمه نحو الصواعق ، وبالتالي ، زادت فرص اجتماعهم. لذلك ، تحتاج إلى معرفة كيفية "إبطاء" قنوات الشرارة من الكائنات المحمية ، وعلى العكس من ذلك ، لتحفيز من الموصلات البرق. سبب التفاؤل مستوحى من تلك الحقول الكهربائية الخارجية الضعيفة للغاية التي يتشكل فيها البرق. في محيط العاصفة الرعدية ، يكون الحقل القريب من الأرض حوالي 100-200 فولت / سم - أي نفس الحقل الموجود على سطح سلك كهربائي بمكواة أو ماكينة حلاقة كهربائية. بما أن البرق يكتفي بهذه الصغر ، فهذا يعني أن التأثيرات التي تتحكم فيه يمكن أن تكون ضعيفة بنفس القدر. من المهم فقط أن نفهم في أي نقطة وبأي شكل يجب أن يتم تقديمهم. أمامنا عمل بحث صعب ولكنه مثير للاهتمام.

الأكاديمي فلاديمير فورتوف ، المعهد المشترك لفيزياء درجات الحرارة العالية ، دكتوراه في العلوم التقنية إدوارد بازيليان ، معهد الطاقة الذي سمي على اسم GM Krzyzanowski.