Cómo protegerte de los rayos

Los relámpagos siempre despertaban la imaginación y el deseo de una persona de conocer el mundo. Ella trajo fuego a la tierra, habiendo domesticado lo cual, la gente se volvió más poderosa. Todavía no contamos con la conquista de este formidable fenómeno natural, pero quisiéramos una "coexistencia pacífica". Después de todo, cuanto más perfecto sea el equipo que creamos, más peligrosa será la electricidad atmosférica. Uno de los métodos de protección es evaluar preliminarmente, utilizando un simulador especial, evaluar la vulnerabilidad de las instalaciones industriales para el campo actual y electromagnético de los rayos.

Amar la tormenta a principios de mayo es fácil para poetas y artistas. El ingeniero de potencia, el señalero o el astronauta no estarán encantados desde el comienzo de la temporada de tormentas eléctricas: promete demasiados problemas. En promedio, cada kilómetro cuadrado de Rusia representa anualmente alrededor de tres rayos. Su corriente eléctrica alcanza los 30,000 A, y para las descargas más potentes puede exceder los 200,000 A. La temperatura en un canal de plasma bien ionizado de rayos incluso moderados puede alcanzar los 30,000 ° C, que es varias veces mayor que en el arco eléctrico de la máquina de soldar. Y, por supuesto, esto no es un buen augurio para muchas instalaciones técnicas. Los incendios y las explosiones de los rayos directos son bien conocidos por los especialistas. Pero la gente común está exagerando claramente el riesgo de tal evento.

La punta del asta de la bandera de la torre de televisión Ostankino. Los rastros de reflujo son visibles. En realidad, el "encendedor eléctrico celestial" no es tan efectivo. Imagínese: está intentando encender un fuego durante un huracán, cuando debido al fuerte viento es difícil encender incluso la paja seca. La corriente de aire desde el canal del rayo es aún más poderosa: su descarga da lugar a una onda de choque, cuyo estruendoso trueno rompe y extingue la llama. Una paradoja, pero un rayo débil es un peligro de incendio, especialmente si una corriente de aproximadamente 100 A fluye a través de su canal durante décimas de segundo (¡para edades en el mundo de las descargas de chispas!), Este último no es muy diferente de un arco, y un arco eléctrico encenderá todo lo que pueda arder.

Sin embargo, para un edificio de altura normal, los rayos no son frecuentes. La experiencia y la teoría muestran: se siente "atraído" a una estructura del suelo desde una distancia cercana a sus tres alturas. La torre de diez pisos recogerá aproximadamente 0.08 rayos por año, es decir un promedio de 1 golpe en 12.5 años de operación. Una cabaña con un ático es aproximadamente 25 veces más pequeña: en promedio, el propietario tendrá que "esperar" durante unos 300 años.

Pero no minimicemos el peligro. De hecho, si un rayo cae al menos en una de las 300-400 casas de la aldea, es poco probable que los residentes locales consideren este evento insignificante. Pero hay objetos de mayor longitud, por ejemplo, líneas eléctricas (NEP). Su longitud puede exceder los 100 km, su altura es de 30 m. Esto significa que cada uno de ellos recogerá golpes de derecha e izquierda, con franjas de 90 m de ancho. El área total de rayos que “jalan” excederá los 18 km2, su número es de 50 por año. Por supuesto, los soportes de acero de la línea no se quemarán, los cables no se derretirán. Los rayos caen unas 30 veces al año en la punta del asta de la bandera de la torre de televisión Ostankino (Moscú), pero no sucede nada terrible. Y para comprender por qué son peligrosos para las líneas eléctricas, debe conocer la naturaleza de los efectos eléctricos, no térmicos.

El poder principal del rayo

Cuando se golpea en el soporte de la línea eléctrica, la corriente fluye hacia el suelo a través de la resistencia del suelo, que, por regla general, es de 10-30 ohmios. Al mismo tiempo Ley de ohm Incluso el rayo "medio", con una corriente de 30,000 A, crea un voltaje de 300-900 kV y potente, varias veces más. Entonces hay sobretensiones de tormentas eléctricas. Si alcanzan el nivel de megavoltio, el aislamiento de la línea de transmisión de energía no resiste y se rompe. Se produce un cortocircuito. La línea está desconectada. Peor aún, cuando un canal de rayos se rompe directamente a los cables.Entonces, la sobretensión es un orden de magnitud mayor que con el daño al soporte. La lucha contra este fenómeno sigue siendo una tarea difícil para la industria de la energía eléctrica. Además, con la mejora de la tecnología, su complejidad solo crece.

La torre de televisión Ostankino actuó como un pararrayos, después de haber fallado un rayo a 200 metros por debajo del pico. Para satisfacer las crecientes necesidades de energía de la humanidad, las centrales eléctricas modernas deben combinarse en sistemas potentes. Un sistema de energía unificado ahora está operando en Rusia: todas sus instalaciones operan interconectadas. Por lo tanto, la falla accidental de incluso una línea de transmisión de energía o una planta de energía puede tener serias consecuencias similares a lo que sucedió en Moscú en mayo de 2005. Se han observado muchos accidentes en el sistema causados ​​por rayos en el mundo. Uno de ellos, en los Estados Unidos en 1968, causó daños multimillonarios. Luego, una descarga de un rayo apagó una línea eléctrica y el sistema eléctrico no pudo hacer frente al déficit de energía que surgió.

No es sorprendente que los especialistas presten la debida atención a la protección de las líneas eléctricas contra los rayos. A lo largo de toda la longitud de las líneas aéreas con un voltaje de 110 kV o más, se suspenden cables metálicos especiales, tratando de proteger los cables del contacto directo desde arriba. Su aislamiento se maximiza, la resistencia a tierra de los soportes se reduce extremadamente y los dispositivos semiconductores, como los que protegen los circuitos de entrada de las computadoras o televisores de alta calidad, se utilizan para limitar las sobretensiones. Es cierto que su similitud es solo en principio de operación, pero el voltaje de operación para limitadores lineales se estima en millones de voltios: ¡evalúe la escala del costo de protección contra rayos!

La gente a menudo pregunta si es factible diseñar una línea absolutamente resistente a los rayos. La respuesta es si. Pero aquí hay dos nuevas preguntas inevitables: ¿quién lo necesita y cuánto costará? De hecho, si es imposible dañar una línea de transmisión de energía protegida de manera confiable, entonces es posible, por ejemplo, formar un comando falso para desconectar la línea o simplemente destruir los circuitos de automatización de bajo voltaje, que en el diseño moderno están construidos con tecnología de microprocesador. El voltaje de funcionamiento de los chips disminuye cada año. Hoy se calcula en unidades de voltios. ¡Ahí es donde hay espacio para los rayos! Y no hay necesidad de un ataque directo, ya que puede actuar de forma remota e inmediata sobre grandes áreas. Su arma principal es el campo electromagnético. Se mencionó anteriormente sobre la corriente del rayo, aunque tanto la corriente como su tasa de crecimiento son importantes para evaluar la fuerza electromotriz de la inducción magnética. En el caso de los rayos, este último puede superar los 2 • 1011 A / s. En cualquier circuito con un área de 1 m2 a una distancia de 100 m del canal de rayos, dicha corriente inducirá un voltaje de aproximadamente el doble que en los enchufes de un edificio residencial. No se necesita mucha imaginación para imaginar el destino de los microchips diseñados para un voltaje del orden de un voltio.

En la práctica mundial, hay muchos accidentes graves debido a la destrucción de los circuitos de control de rayos. Esta lista incluye daños a los equipos de a bordo de aviones y naves espaciales, paradas falsas de "paquetes" enteros de líneas de alta tensión y fallas en los equipos de los sistemas de comunicaciones móviles de antenas. Desafortunadamente, un lugar notable aquí está ocupado por el "daño" al bolsillo de los ciudadanos comunes por daños a los electrodomésticos, que cada vez más está llenando nuestros hogares.

MANERAS DE PROTECCION

Estamos acostumbrados a confiar en la protección contra rayos. ¿Recuerdas la oda al gran científico del siglo XVIII, el académico Mikhail Lomonosov sobre su invento? Nuestro famoso compatriota estaba encantado con la victoria, dijo que el fuego celestial ha dejado de ser peligroso. Por supuesto, este dispositivo en el techo de un edificio residencial no permitirá que los rayos prendan fuego a un piso de madera u otros materiales de construcción combustibles. Con respecto a los efectos electromagnéticos, no tiene poder. No importa si la corriente del rayo fluye en su canal o a través de la varilla metálica del pararrayos, sin embargo, excita un campo magnético e induce un voltaje peligroso debido a la inducción magnética en los circuitos eléctricos internos. Para combatir esto de manera efectiva, se requiere un pararrayos para interceptar el canal de descarga en aproximaciones remotas al objeto protegido, es decir. llegar a ser muy alto, porque el voltaje inducido es inversamente proporcional a la distancia al conductor de corriente.

Hoy en día, se ha adquirido una gran experiencia en el uso de estructuras de diferentes alturas.Sin embargo, las estadísticas no son muy reconfortantes. La zona de protección de un pararrayos se presenta generalmente en forma de cono, cuyo eje es, pero con un vértice ubicado ligeramente más bajo que su extremo superior. Por lo general, un "núcleo" de 30 metros proporciona una confiabilidad del 99% de la protección del edificio si se eleva unos 6 metros por encima de él. Para lograr esto no es un problema. Pero con un aumento en la altura del pararrayos, la distancia desde su parte superior al objeto "cubierto", el mínimo necesario para una protección satisfactoria, está creciendo rápidamente. Para una estructura de 200 metros con el mismo grado de confiabilidad, este parámetro ya supera los 60 m, y para una estructura de 500 metros - 200 m.

La torre de televisión Ostankino antes mencionada también juega un papel similar: no puede protegerse, pasa rayos a una distancia de 200 m por debajo del pico. El radio de la zona de protección a nivel del suelo para pararrayos altos también aumenta bruscamente: para uno de 30 metros, es comparable a su altura, para la misma torre de TV, 1/5 de su altura.

En otras palabras, uno no puede esperar que los pararrayos de un diseño tradicional puedan interceptar el rayo en las aproximaciones lejanas al objeto, especialmente si este ocupa una gran área en la superficie de la tierra. Esto significa que debemos tener en cuenta la probabilidad real de una descarga de rayos en el territorio de centrales eléctricas y subestaciones, aeródromos, depósitos de combustibles líquidos y gaseosos, campos de antenas extendidas. Extendiéndose en el suelo, la corriente del rayo entra parcialmente en las numerosas comunicaciones subterráneas de las modernas instalaciones técnicas. Como regla general, existen circuitos eléctricos de automatización, control y sistemas de procesamiento de información, los mismos dispositivos microelectrónicos mencionados anteriormente. Por cierto, el cálculo de las corrientes en la tierra es complicado incluso en la formulación más simple. Las dificultades se exacerban debido a los fuertes cambios en la resistencia de la mayoría de los suelos, dependiendo de la fuerza de las corrientes de kiloamperios que se extienden en ellos, que son características de las descargas de electricidad atmosférica. La ley de Ohm no se aplica al cálculo de circuitos con tales resistencias no lineales.

A la "no linealidad" del suelo se agrega la probabilidad de la formación de canales de chispa extendidos en él. Los equipos de reparación de líneas de cable están familiarizados con esta imagen. Un surco se extiende a lo largo del suelo desde un árbol alto en el borde de un bosque, como si fuera un arado o un arado viejo, y se rompe justo por encima de la pista de un cable telefónico subterráneo que está dañado en este lugar: la cubierta metálica se arruga, el aislamiento de los núcleos se destruye. Entonces el efecto del rayo se manifestó. Golpeó un árbol, y su corriente, extendiéndose a lo largo de las raíces, creó un fuerte campo eléctrico en el suelo, formó un canal de chispa de plasma en él. De hecho, los rayos continuaron su desarrollo, por así decirlo, no solo a través del aire, sino también en el suelo. Y así puede pasar docenas, y en corrientes especialmente pobres en suelos (rocosos o permafrost) y cientos de metros. El avance hacia el objeto no se lleva a cabo de la manera tradicional, desde arriba, sino evitando cualquier pararrayos desde abajo. Las descargas deslizantes a lo largo de la superficie del suelo se reproducen bien en el laboratorio. Todos estos fenómenos complejos y altamente no lineales necesitan investigación experimental, modelado.

La corriente para generar una descarga puede ser generada por una fuente artificial pulsada. La energía se acumula durante aproximadamente un minuto en un banco de condensadores y luego se "derrama" en la piscina con tierra en una docena de microsegundos. Tales unidades capacitivas se encuentran en muchos centros de investigación de alto voltaje. Sus dimensiones alcanzan decenas de metros, masa - decenas de toneladas. No puede entregarlos en el territorio de una subestación eléctrica u otra instalación industrial para reproducir completamente las condiciones para la propagación de las corrientes de rayos. Esto es posible solo por accidente, cuando el objeto está adyacente a un soporte de alto voltaje; por ejemplo, en una instalación abierta del Siberian Research Institute of Energy, se coloca un generador de alto voltaje pulsado junto a una línea de transmisión de 110 kV. Pero esto, por supuesto, es una excepción.

Lightning Bolt Simulator

De hecho, esto no debería ser un experimento único, sino una situación ordinaria.Los especialistas necesitan urgentemente una simulación a gran escala de la corriente del rayo, ya que esta es la única forma de obtener una imagen confiable de la distribución de las corrientes en los servicios subterráneos, medir los efectos del campo electromagnético en los dispositivos con tecnología de microprocesador y determinar el patrón de propagación de los canales de chispas deslizantes. Las pruebas correspondientes deberían generalizarse y llevarse a cabo antes de la puesta en marcha de cada instalación técnica responsable fundamentalmente nueva, como se ha hecho durante mucho tiempo en la aviación y la astronáutica. Hoy no hay otra alternativa que crear una fuente de corrientes de pulso potente, pero de pequeño tamaño y móvil con parámetros de corriente de rayo. Su modelo prototipo ya existe y se probó con éxito en la subestación Donino (110 kV) en septiembre de 2005. Todo el equipo estaba alojado en un trailer de fábrica del Volga en serie.

El complejo de prueba móvil se basa en un generador que convierte la energía mecánica de una explosión en energía eléctrica. Este proceso es generalmente bien conocido: tiene lugar en cualquier máquina eléctrica, donde la fuerza mecánica impulsa el rotor, contrarrestando la fuerza de su interacción con el campo magnético del estator. La diferencia fundamental es la tasa extremadamente alta de liberación de energía durante la explosión, que acelera rápidamente el pistón metálico (revestimiento) dentro de la bobina. Desplaza el campo magnético en microsegundos, proporcionando excitación de alto voltaje en un transformador de pulso. Después de una amplificación adicional por un transformador de pulso, el voltaje genera una corriente en el objeto de prueba. La idea de este dispositivo pertenece a nuestro destacado compatriota, el "padre" de la bomba de hidrógeno, el académico A.D. Sájarov.

Una explosión en una cámara especial de alta resistencia destruye solo una bobina de 0,5 m de largo y un revestimiento interior. Los elementos restantes del generador se usan repetidamente. El circuito se puede ajustar de modo que la tasa de crecimiento y la duración del pulso generado correspondan a parámetros de corriente de rayos similares. Además, es posible "conducirlo" en un objeto de gran longitud, por ejemplo, en un cable entre los soportes de la línea de transmisión de energía, en el circuito de tierra de una subestación moderna o en el fuselaje de un avión.

Al probar una muestra del generador prototipo, solo se colocaron 250 g de explosivos en la cámara. Esto es suficiente para formar un pulso de corriente con una amplitud de hasta 20,000 A. Sin embargo, por primera vez no tuvieron un efecto tan radical: la corriente se limitó artificialmente. Al comienzo de la instalación, solo hubo un ligero estallido de la cámara de explosión. Y luego los registros de los osciloscopios digitales, que luego se verificaron, mostraron: un pulso de corriente con los parámetros dados se introdujo con éxito en el pararrayos de la subestación. Los sensores notaron una sobretensión en varios puntos del circuito de tierra.

Ahora el complejo de tiempo completo está en proceso de preparación. Se ajustará a la simulación a gran escala de las corrientes de rayos y, al mismo tiempo, se colocará en la parte trasera de un camión serie. La cámara de explosivos del generador está diseñada para trabajar con 2 kg de explosivos. Hay muchas razones para creer que el complejo será universal. Con su ayuda, será posible probar no solo la energía eléctrica, sino también otros objetos de gran tamaño de nuevos equipos para la resistencia a los efectos del campo actual y electromagnético de los rayos: centrales nucleares, dispositivos de telecomunicaciones, sistemas de misiles, etc.

Me gustaría terminar el artículo con una nota importante, especialmente porque hay razones para esto. La puesta en marcha de una instalación de prueba a tiempo completo permitirá evaluar objetivamente la efectividad del equipo de protección más avanzado. Sin embargo, aún queda cierta insatisfacción. De hecho, la persona nuevamente sigue el ejemplo del rayo y se ve obligada a soportar su obstinación, mientras pierde mucho dinero. El uso de medios de protección contra rayos conduce a un aumento en el tamaño y el peso del objeto, los costos de materiales escasos están creciendo.Las situaciones paradójicas son bastante reales cuando las dimensiones del equipo de protección exceden las del elemento estructural protegido. El folklore de ingeniería almacena la respuesta de un conocido diseñador de aviones a la propuesta de diseñar un avión absolutamente confiable: este trabajo se puede hacer si el cliente se reconcilia con el único inconveniente del proyecto: el avión nunca despegará. Algo similar está sucediendo en la protección contra rayos hoy. En lugar de una ofensiva, los expertos sostienen una defensa circular. Para salir del círculo vicioso, debe comprender el mecanismo de formación de la trayectoria del rayo y encontrar medios para controlar este proceso debido a influencias externas débiles. La tarea es difícil, pero está lejos de ser desesperada. Hoy está claro que un rayo que se mueve de una nube a la tierra nunca golpea un objeto terrestre: desde su parte superior hacia un rayo que se acerca crece un canal de chispa, el llamado líder que se aproxima. Dependiendo de la altura del objeto, se extiende decenas de metros, a veces varios cientos y se encuentra con un rayo. Por supuesto, esta "fecha" no siempre sucede: los rayos pueden fallar.

Pero es bastante obvio: cuanto antes surja el líder que se aproxima, más avanzará hacia los rayos y, por lo tanto, más oportunidades tendrá de encontrarse. Por lo tanto, debe aprender a "ralentizar" los canales de chispa de los objetos protegidos y, por el contrario, a estimular los pararrayos. La razón del optimismo está inspirada en esos campos eléctricos externos muy débiles en los que se forman los rayos. En tormentas eléctricas, un campo cerca de la tierra es de aproximadamente 100-200 V / cm, aproximadamente lo mismo que en la superficie de un cable eléctrico de una máquina de afeitar eléctrica o de hierro. Dado que el rayo se contenta con una cantidad tan pequeña, significa que los efectos que lo controlan pueden ser igual de débiles. Solo es importante entender en qué punto y en qué forma deben ser atendidos. A continuación hay un trabajo de investigación difícil pero interesante.

El académico Vladimir FORTOV, Instituto Conjunto de Física de Alta Temperatura RAS, Doctor en Ciencias Técnicas Eduard BAZELYAN, Instituto de Energía nombrado después G.M. Krzhizhanovsky.