Como se proteger dos raios

O raio sempre despertou a imaginação de uma pessoa e o desejo de conhecer o mundo. Ela trouxe fogo à terra, depois de domar o que, as pessoas se tornaram mais poderosas. Ainda não contamos com a conquista desse formidável fenômeno natural, mas gostaríamos de "coexistência pacífica". Afinal, quanto mais perfeito o equipamento que criamos, mais perigosa é a eletricidade atmosférica. Um dos métodos de proteção é, preliminarmente, usando um simulador especial, avaliar a vulnerabilidade das instalações industriais para o campo de raios atual e eletromagnético.

Amar a tempestade no início de maio é fácil para poetas e artistas. O engenheiro de energia, o sinaleiro ou o astronauta não ficarão encantados desde o início da temporada de trovoadas: ele promete muitos problemas. Em média, cada quilômetro quadrado da Rússia representa anualmente cerca de três descargas atmosféricas. Sua corrente elétrica atinge 30.000 A e, para as descargas mais poderosas, pode exceder 200.000 A. A temperatura em um canal de plasma bem ionizado, mesmo com raios moderados, pode atingir 30.000 ° C, o que é várias vezes maior do que no arco elétrico da máquina de solda. E, claro, isso não é um bom presságio para muitas instalações técnicas. Incêndios e explosões de raios diretos são bem conhecidos pelos especialistas. Mas as pessoas comuns estão claramente exagerando o risco de tal evento.

A ponta do mastro da torre de televisão Ostankino. Traços de refluxo são visíveis: na realidade, o "isqueiro elétrico celeste" não é tão eficaz. Imagine: você está tentando fazer um incêndio durante um furacão, quando, devido ao vento forte, é difícil acender uma palha seca. A corrente de ar do canal de raios é ainda mais poderosa: sua descarga causa uma onda de choque, cujo estrondo estrondoso quebra e apaga a chama. Um paradoxo, mas um raio fraco é um risco de incêndio, especialmente se uma corrente de cerca de 100 A fluir através de seu canal por décimos de segundo (por séculos no mundo das descargas de faíscas!), Este último não é muito diferente de um arco, e um arco elétrico acenderá tudo o que pode queimar.

No entanto, para um edifício de altura normal, os raios não são uma ocorrência frequente. A experiência e a teoria mostram: é "atraído" por uma estrutura de solo a uma distância próxima a suas três alturas. A torre de dez andares coletará cerca de 0,08 raios por ano, ou seja, uma média de 1 acerto em 12,5 anos de operação. Uma casa com um sótão é cerca de 25 vezes menor: em média, o proprietário terá que "esperar" por cerca de 300 anos.

Mas não vamos subestimar o perigo. De fato, se um raio atingir pelo menos uma das 300-400 casas da vila, é improvável que os residentes locais considerem esse evento insignificante. Mas existem objetos de muito maior comprimento - digamos, linhas de energia (NEP). Seu comprimento pode exceder 100 km, sua altura é de 30 m. Isso significa que cada um deles coletará golpes da direita e da esquerda, com tiras de 90 m de largura. Obviamente, os suportes de aço da linha não queimarão, os fios não derreterão. Raios atingem cerca de 30 vezes por ano na ponta do mastro da torre da TV Ostankino (Moscou), mas nada de terrível acontece. E para entender por que eles são perigosos para as linhas de energia, você precisa conhecer a natureza dos efeitos elétricos, não térmicos.

O PODER PRINCIPAL DO RELÂMPAGO

Quando atingida no suporte da linha elétrica, a corrente flui para o solo através da resistência do solo, que, em regra, é de 10 a 30 Ohms. Ao mesmo tempo Lei de Ohm até o raio "médio", com uma corrente de 30.000 A, cria uma tensão de 300-900 kV e é potente - várias vezes mais. Portanto, há um raio. Se atingirem o nível de megavolt, o isolamento da linha de transmissão de energia não resistirá e romperá. Um curto-circuito ocorre. A linha está desconectada. Pior ainda, quando um canal de raio quebra diretamente nos fios.Então a sobretensão é uma ordem de grandeza maior do que com danos ao suporte. A luta contra esse fenômeno hoje continua sendo uma tarefa difícil para o setor de energia elétrica. Além disso, com o aprimoramento da tecnologia, sua complexidade só aumenta.

A torre de TV de Ostankino agia como um para-raios, depois de ter atingido um raio a 200 metros abaixo do pico. Um sistema unificado de energia agora está operando na Rússia: todas as suas instalações operam interconectadas. Portanto, a falha acidental de até uma linha de transmissão de energia ou usina pode levar a sérias conseqüências semelhantes às ocorridas em Moscou em maio de 2005. Muitos acidentes no sistema causados ​​por raios foram observados no mundo. Um deles - nos EUA em 1968, causou danos multimilionários. Então, uma descarga elétrica cortou uma linha de energia e o sistema de energia não conseguiu lidar com o déficit de energia que surgiu.

Não é de surpreender que os especialistas prestem a devida atenção à proteção das linhas de energia contra raios. Cabos metálicos especiais são suspensos ao longo de todo o comprimento das linhas aéreas, com uma tensão de 110 kV e mais, tentando proteger os fios do contato direto de cima. Seu isolamento é maximizado, a resistência de aterramento dos suportes é extremamente reduzida e dispositivos semicondutores, como aqueles que protegem os circuitos de entrada de computadores ou TVs de alta qualidade, são usados ​​para limitar sobretensões. É verdade que sua semelhança é apenas em princípio de operação, mas a tensão operacional para limitadores lineares é estimada em milhões de volts - avalie a escala do custo da proteção contra raios!

As pessoas costumam perguntar se é viável projetar uma linha absolutamente resistente a raios. A resposta é sim. Mas aqui duas novas questões são inevitáveis: quem precisa e quanto vai custar? De fato, se é impossível danificar uma linha de transmissão de energia protegida de maneira confiável, é possível, por exemplo, formar um comando falso para desconectar a linha ou simplesmente destruir os circuitos de automação de baixa tensão, que no design moderno são construídos com a tecnologia de microprocessador. A tensão de operação dos chips diminui a cada ano. Hoje é calculado em unidades de volts. É aí que há espaço para raios! E não há necessidade de um ataque direto, porque ele é capaz de agir remotamente e imediatamente em grandes áreas. Sua principal arma é o campo eletromagnético. Foi mencionado acima sobre a corrente elétrica, embora a corrente e sua taxa de crescimento sejam importantes para avaliar a força eletromotriz da indução magnética. Em relâmpagos, este último pode exceder 2 x 1011 A / s. Em qualquer circuito com uma área de 1 m2 a uma distância de 100 m do canal de raios, essa corrente induz uma tensão cerca de duas vezes mais alta do que nas tomadas de um edifício residencial. Não é preciso muita imaginação para imaginar o destino dos microchips projetados para uma voltagem da ordem de um volt.

Na prática mundial, existem muitos acidentes graves devido à destruição dos circuitos de controle de raios. Essa lista inclui danos ao equipamento de bordo de aviões e naves espaciais, desligamentos falsos de “pacotes” inteiros de linhas de alta tensão e falha do equipamento dos sistemas de comunicação móvel por antena. Infelizmente, um lugar notável aqui é ocupado pelo “dano” ao bolso dos cidadãos comuns por danos aos eletrodomésticos, que cada vez mais estão enchendo nossas casas.

FORMAS DE PROTEÇÃO

Estamos acostumados a confiar na proteção contra raios. Lembre-se da ode ao grande cientista do século XVIII, o acadêmico Mikhail Lomonosov, por sua invenção? Nosso famoso compatriota ficou encantado com a vitória, disse que o fogo celestial deixou de ser perigoso. Obviamente, este dispositivo no telhado de um edifício residencial não permitirá que um raio atire fogo em um piso de madeira ou em outros materiais combustíveis. No que diz respeito aos efeitos eletromagnéticos, ele é impotente. Não faz diferença se a corrente de raio flui em seu canal ou através da haste de metal da haste de raio, no entanto, excita um campo magnético e induz uma tensão perigosa devido à indução magnética em circuitos elétricos internos. Para combater isso de forma eficaz, é necessário um pára-raios para interceptar o canal de descarga em abordagens remotas ao objeto protegido, isto é, tornar-se muito alto, porque a tensão induzida é inversamente proporcional à distância do condutor de corrente.

Hoje, foi obtida uma grande experiência no uso de estruturas de diferentes alturas.No entanto, as estatísticas não são muito reconfortantes. A zona de proteção de uma haste de pára-raios é normalmente apresentada na forma de um cone, cujo eixo é esse, mas com um ápice localizado um pouco abaixo da extremidade superior. Normalmente, um "núcleo" de 30 metros fornece 99% de confiabilidade da proteção do edifício se ele se elevar cerca de 6 metros acima dele. Porém, com o aumento da altura do pára-raios, a distância entre o topo e o objeto "coberto", o mínimo necessário para uma proteção satisfatória, está crescendo rapidamente. Para uma estrutura de 200 metros com o mesmo grau de confiabilidade, esse parâmetro já excede 60 m, e para uma estrutura de 500 metros - 200 m.

A torre de TV Ostankino, já mencionada, também desempenha um papel semelhante: não é capaz de se proteger, perde relâmpagos a uma distância de 200 m abaixo do pico. O raio da zona de proteção ao nível do solo para pára-raios altos também aumenta acentuadamente: para um de 30 metros, é comparável à sua altura, para a mesma torre de TV - 1/5 da sua altura.

Em outras palavras, não se pode esperar que os pára-raios de um desenho tradicional sejam capazes de interceptar raios em abordagens distantes do objeto, especialmente se este ocupar uma grande área na superfície da Terra. Isso significa que devemos contar com a probabilidade real de descargas atmosféricas no território de usinas e subestações, aeródromos, armazéns de combustíveis líquidos e gasosos e campos de antena estendidos. Espalhando no solo, a corrente de raios entra parcialmente nas numerosas comunicações subterrâneas de objetos técnicos modernos. Como regra, existem circuitos elétricos de sistemas de automação, controle e processamento de informações - os mesmos dispositivos microeletrônicos mencionados acima. A propósito, o cálculo das correntes na Terra é complicado, mesmo na formulação mais simples. As dificuldades são exacerbadas devido a fortes mudanças na resistência da maioria dos solos, dependendo da força das correntes de kiloampere que se espalham neles, que são apenas características das descargas atmosféricas de eletricidade. A lei de Ohm não se aplica ao cálculo de circuitos com essas resistências não lineares.

À "não linearidade" do solo é adicionada a probabilidade de formação de canais de faísca estendidos nele. As equipes de reparos das linhas de cabos estão bem familiarizadas com essa imagem. Um sulco se estende pelo chão a partir de uma árvore alta na beira da floresta, como se fosse de um arado ou de um arado velho, e se rompe logo acima da linha de um cabo telefônico subterrâneo que está danificado neste local - a bainha de metal está amassada, o isolamento dos núcleos é destruído. Assim, o efeito do raio se manifestou. Ela atingiu uma árvore e sua corrente, espalhando-se pelas raízes, criou um forte campo elétrico no chão, formando um canal de faísca no plasma. De fato, os raios continuaram seu desenvolvimento, por assim dizer, não apenas através do ar, mas no solo. E, portanto, pode passar por dezenas, e em solos de correntes com má condução (rochoso ou permafrost) e centenas de metros. A descoberta do objeto não é realizada da maneira tradicional - de cima, mas ignorando quaisquer pára-raios de baixo. Descargas deslizantes ao longo da superfície do solo são bem reproduzidas em laboratório. Todos esses fenômenos complexos e altamente não-lineares precisam de pesquisa experimental, modelagem.

A corrente para gerar uma descarga pode ser gerada por uma fonte pulsada artificial. A energia é acumulada no banco de capacitores por cerca de um minuto e depois "derramada" na piscina com o solo em uma dúzia de microssegundos. Tais acionamentos capacitivos estão em muitos centros de pesquisa de alta tensão. Suas dimensões atingem dezenas de metros, massa - dezenas de toneladas. Você não pode entregá-lo no território de uma subestação elétrica ou outra instalação industrial para reproduzir totalmente as condições de propagação das correntes de raios. Isso é possível apenas por acidente, quando o objeto é adjacente a um suporte de alta tensão - por exemplo, em uma instalação aberta do Instituto de Pesquisa Siberiana de Energia, um gerador de alta tensão pulsado é colocado próximo a uma linha de transmissão de 110 kV. Mas isso, é claro, é uma exceção.

Lightning Bolt Simulator

De fato, isso não deve ser um experimento único, mas uma situação comum.Os especialistas precisam urgentemente de uma simulação em escala real da corrente de raios, já que esta é a única maneira de obter uma imagem confiável da distribuição de correntes em utilidades subterrâneas, medir os efeitos do campo eletromagnético nos dispositivos com tecnologia de microprocessador e determinar o padrão de propagação dos canais de faísca deslizantes. Os testes correspondentes devem se disseminar e ser realizados antes do comissionamento de cada instalação técnica responsável fundamentalmente nova, como já faz muito tempo na aviação e na astronáutica. Hoje, não há alternativa a não ser criar uma fonte poderosa, porém pequena e móvel, de correntes de pulso com parâmetros de corrente elétrica. Seu modelo de protótipo já existe e foi testado com sucesso na subestação Donino (110 kV) em setembro de 2005. Todo o equipamento foi alojado em um reboque de fábrica da série Volga.

O complexo de teste móvel é baseado em um gerador que converte a energia mecânica de uma explosão em energia elétrica. Esse processo é geralmente bem conhecido: ocorre em qualquer máquina elétrica, onde a força mecânica aciona o rotor, neutralizando a força de sua interação com o campo magnético do estator. A diferença fundamental é a taxa extremamente alta de liberação de energia durante a explosão, que acelera rapidamente o pistão de metal (revestimento) dentro da bobina. Desloca o campo magnético em microssegundos, proporcionando excitação de alta tensão em um transformador de pulso. Após amplificação adicional por um transformador de pulso, a tensão gera uma corrente no objeto de teste. A idéia deste dispositivo pertence ao nosso excelente compatriota, o "pai" da bomba de hidrogênio, o acadêmico A.D. Sakharov.

Uma explosão em uma câmara especial de alta resistência destrói apenas uma bobina de 0,5 m de comprimento e um revestimento dentro dela. Os demais elementos do gerador são usados ​​repetidamente. O circuito pode ser ajustado para que a taxa de crescimento e a duração do pulso gerado correspondam a parâmetros semelhantes da corrente elétrica. Além disso, é possível “conduzi-lo” a um objeto de grande comprimento, por exemplo, em um fio entre os suportes da linha de transmissão de energia, no circuito de aterramento de uma subestação moderna ou na fuselagem de um avião de passageiros.

Ao testar uma amostra de gerador de protótipo, apenas 250 g de explosivos foram colocados na câmara. Isso é suficiente para formar um pulso de corrente com uma amplitude de até 20.000 A. No entanto, pela primeira vez eles não tiveram um efeito tão radical - a corrente foi limitada artificialmente. No início da instalação, houve apenas um estalo na câmera de decapagem. E então os registros dos osciloscópios digitais, que foram verificados, mostraram: um pulso de corrente com os parâmetros fornecidos foi introduzido com sucesso no condutor de raios da subestação. Os sensores notaram uma oscilação de energia em vários pontos do loop de terra.

Agora, o complexo de tempo integral está em preparação. Ele será sintonizado na simulação em larga escala das correntes de raios e, ao mesmo tempo, será colocado na traseira de um caminhão em série. A câmara explosiva do gerador foi projetada para funcionar com 2 kg de explosivos. Há todas as razões para acreditar que o complexo será universal. Com sua ajuda, será possível testar não apenas a energia elétrica, mas também outros objetos de grande porte de novos equipamentos, para resistência aos efeitos do campo eletromagnético e atual dos raios: usinas nucleares, dispositivos de telecomunicações, sistemas de mísseis etc.

Gostaria de terminar o artigo em uma nota importante, especialmente porque existem razões para isso. O comissionamento de uma instalação de teste em tempo integral permitirá avaliar objetivamente a eficácia dos equipamentos de proteção mais avançados. No entanto, ainda existe alguma insatisfação. De fato, a pessoa novamente segue a liderança do raio e é forçada a aturar sua vontade, perdendo muito dinheiro. O uso de meios de proteção contra raios leva a um aumento no tamanho e peso do objeto, aumentando os custos de materiais escassos.Situações paradoxais são bastante reais quando o tamanho do equipamento de proteção excede o tamanho do elemento estrutural protegido. O folclore da engenharia armazena a resposta de um conhecido projetista de aeronaves à proposta de projetar uma aeronave absolutamente confiável: esse trabalho pode ser feito se o cliente se reconciliar com a única desvantagem do projeto - a aeronave nunca decolará. Algo semelhante está acontecendo na proteção contra raios hoje. Em vez de uma ofensiva, os especialistas mantêm uma defesa circular. Para sair do círculo vicioso, você precisa entender o mecanismo de formação da trajetória do raio e encontrar meios de controlar esse processo devido às fracas influências externas. A tarefa é difícil, mas longe de ser desesperadora. Hoje está claro que um raio que se move de uma nuvem para a terra nunca atinge um objeto no solo: do topo para um raio que se aproxima, um canal de faísca cresce, o chamado líder que se aproxima. Dependendo da altura do objeto, ele se estende por dezenas de metros, às vezes várias centenas e encontra raios. Obviamente, essa “data” nem sempre acontece - um raio pode faltar.

Mas é bastante óbvio: quanto mais cedo o líder se aproximar, mais ele avançará para o raio e, portanto, mais chances de ele se encontrar. Portanto, você precisa aprender a "desacelerar" os canais de faísca dos objetos protegidos e, inversamente, estimular os pára-raios. A razão do otimismo é inspirada nos campos elétricos externos muito fracos nos quais os raios são formados. Nas tempestades, um campo perto da Terra é de cerca de 100-200 V / cm - aproximadamente o mesmo que a superfície de um cabo elétrico de um barbeador elétrico ou de ferro. Como o raio está contente com essa pequenez, significa que as influências que o controlam podem ser igualmente fracas. É importante apenas entender em que ponto e de que forma eles devem ser servidos. À frente é um trabalho de pesquisa difícil, mas interessante.

O acadêmico Vladimir FORTOV, Instituto Conjunto de Física de Alta Temperatura RAS, Doutor em Ciências Técnicas Eduard BAZELYAN, Instituto de Energia em homenagem a G.M. Krzhizhanovsky.