В. Фортов, Э. Базелян. Защита от молнии
Молния всегда будила фантазию человека и стремление познавать мир. Она принесла на землю огонь, приручив который, люди стали могущественнее. Мы пока не рассчитываем на покорение этого грозного природного явления, но хотели бы «мирного сосуществования». Ведь чем совершеннее создаваемая нами техника, тем опаснее для нее атмосферное электричество. Один из способов защиты - заранее, с помощью специального имитатора, оценивать уязвимость промышленных объектов для тока и электромагнитного поля молнии.
Любить грозу в начале мая легко поэтам и художникам. Энергетик, связист или космонавт от начала грозового сезона в восторг не придет: слишком большие неприятности он обещает. В среднем на каждый квадратный километр территории России ежегодно приходится около трех ударов молний. Их электрический ток доходит до 30 000 А, а у самых мощных разрядов может превысить 200 000 А. Температура в хорошо ионизированном плазменном канале даже умеренной молнии может достигать 30000 °С, что в несколько раз больше, чем в электрической дуге сварочного аппарата. И конечно, это не сулит ничего хорошего многим техническим объектам. Пожары и взрывы от прямого попадания молнии хорошо знакомы специалистам. А вот обыватели риск подобного события явно преувеличивают.
В реальности «небесная электрозажигалка» не столь уж эффективна. Представьте: вы пытаетесь развести огонь во время урагана, когда из-за сильного ветра трудно зажечь даже сухую солому. Еще мощнее воздушный поток от канала молнии: ее разряд рождает ударную волну, громовой раскат которой срывает и гасит пламя. Парадокс, но слабая молния пожароопаснее, особенно, если по ее каналу в течение десятых долей секунды (целая вечность в мире искровых разрядов!) протекает ток около 100 А. Последний мало чем отличается от дугового, а электрическая дуга подожжет все, способное гореть. Впрочем, для здания обычной высоты попадание молнии — явление не частое. Опыт и теория показывают: она «притягивается» к наземному сооружению с расстояния, близкого к трем его высотам. Десятиэтажная башня соберет около 0,08 молний ежегодно, т.е. в среднем 1 удар за 12,5 лет эксплуатации. Дачный домик с мансардой — примерно в 25 раз меньше: в среднем владельцу придется «ждать» около 300 лет.
Но не будем и преуменьшать опасность. Ведь если молния ударит хотя бы в один из 300-400 поселковых домов, местные жители вряд ли сочтут это событие ничтожным. А есть объекты гораздо большей протяженности — скажем, линии электропередачи (НЭП). Их длина вполне может превысить 100 км, высота — 30 м. Значит, справа и слева каждая из них соберет удары с полос шириной по 90 м. Общая площадь «стягивания» молний превысит 18 км2, их число — 50 за год. Разумеется, стальные опоры линии при этом не сгорят, провода не расплавятся. В наконечник флагштока Останкинской телебашни (Москва) молнии ударяют примерно 30 раз в год, однако ничего страшного не происходит. А чтобы понять, чем они опасны для ЛЭП, нужно познать природу электрических, а не термических воздействий.
ГЛАВНАЯ СИЛА МОЛНИИ
При ударе в опору электрической линии ток стекает в землю через сопротивление заземления, которое, как правило, составляет 10-30 Ом. При этом по закону Ома даже «средняя» молния, с током 30 000 А, создает напряжение 300-900 кВ, а мощная — в несколько раз больше. Так возникают грозовые перенапряжения. Если они достигают мегавольтного уровня, изоляция ЛЭП не выдерживает и пробивается. Происходит короткое замыкание. Линия отключается. Еще хуже, когда канал молнии прорывается непосредственно к проводам. Тогда перенапряжение на порядок выше, чем при поражении опоры. Борьба с этим явлением и сегодня остается трудной задачей электроэнергетиков. Причем по мере совершенствования техники ее сложность лишь нарастает.
Чтобы удовлетворить стремительно растущие потребности человечества в энергии, современные электростанции должны объединяться в мощные системы. В России сейчас функционирует единая энергетическая система: все ее объекты работают взаимосвязанно. Поэтому случайный выход из строя даже одной ЛЭП или электростанции может привести к серьезным последствиям, похожим на происшедшее в Москве в мае 2005 г. В мире отмечено немало системных аварий по вине молний. Одна из них — в США в 1968 г. нанесла многомиллионный ущерб. Тогда грозовой разряд отключил одну ЛЭП, и энергосистема не справилась с возникшим дефицитом энергии.
Неудивительно, что защите ЛЭП от молний специалисты уделяют должное внимание. По всей длине воздушных линий напряжением 110 кВ и более подвешивают специальные металлические тросы, стремясь сверху уберечь провода от прямого попадания. Их изоляцию максимально усиливают, сопротивление заземления опор предельно снижают, а для дополнительного ограничения перенапряжений используют полупроводниковые устройства, подобные тем, что защищают входные цепи компьютеров или высококачественных телевизоров. Правда, их сходство — только в принципе действия, рабочее же напряжение для линейных ограничителей исчисляется миллионами вольт — оцените масштабы затрат на защиту от молнии!
При ударе в опору электрической линии ток стекает в землю через сопротивление заземления, которое, как правило, составляет 10-30 Ом. При этом по закону Ома даже «средняя» молния, с током 30 000 А, создает напряжение 300-900 кВ, а мощная — в несколько раз больше. Так возникают грозовые перенапряжения. Если они достигают мегавольтного уровня, изоляция ЛЭП не выдерживает и пробивается. Происходит короткое замыкание. Линия отключается. Еще хуже, когда канал молнии прорывается непосредственно к проводам. Тогда перенапряжение на порядок выше, чем при поражении опоры. Борьба с этим явлением и сегодня остается трудной задачей электроэнергетиков. Причем по мере совершенствования техники ее сложность лишь нарастает.
Чтобы удовлетворить стремительно растущие потребности человечества в энергии, современные электростанции должны объединяться в мощные системы. В России сейчас функционирует единая энергетическая система: все ее объекты работают взаимосвязанно. Поэтому случайный выход из строя даже одной ЛЭП или электростанции может привести к серьезным последствиям, похожим на происшедшее в Москве в мае 2005 г. В мире отмечено немало системных аварий по вине молний. Одна из них — в США в 1968 г. нанесла многомиллионный ущерб. Тогда грозовой разряд отключил одну ЛЭП, и энергосистема не справилась с возникшим дефицитом энергии. Неудивительно, что защите ЛЭП от молний специалисты уделяют должное внимание. По всей длине воздушных линий напряжением 110 кВ и более подвешивают специальные металлические тросы, стремясь сверху уберечь провода от прямого попадания. Их изоляцию максимально усиливают, сопротивление заземления опор предельно снижают, а для дополнительного ограничения перенапряжений используют полупроводниковые устройства, подобные тем, что защищают входные цепи компьютеров или высококачественных телевизоров. Правда, их сходство — только в принципе действия, рабочее же напряжение для линейных ограничителей исчисляется миллионами вольт — оцените масштабы затрат на защиту от молнии!
Часто спрашивают, реально ли спроектировать абсолютно молниестойкую линию? Ответ однозначный — да. Но тут неизбежны два новых вопроса: кому это надо и сколько будет стоить? Ведь если нельзя повредить надежно защищенную ЛЭП, то можно, например, сформировать ложную команду на отключение линии или просто разрушить низковольтные цепи автоматики, которые в современном исполнении построены на микропроцессорной технике. Рабочее напряжение микросхем с каждым годом снижается. Сегодня оно исчисляется единицами вольт. Вот где простор для молнии! И нет нужды в прямом ударе, ибо она способна действовать дистанционно и сразу на больших площадях. Главным ее оружием становится электромагнитное поле. Выше говорилось о токе молнии, хотя для оценки электродвижущей силы магнитной индукции важен и ток, и скорость его роста. У молнии последняя может превышать 2 • 1011 А/с. В любом контуре площадью 1 м2 на расстоянии 100 м от канала молнии такой ток наведет напряжение примерно вдвое выше, чем в розетках жилого дома. Не нужно большой фантазии, чтобы представить судьбу микросхем, рассчитанных на напряжение порядка одного вольта.
В мировой практике известно множество тяжелых аварий из-за разрушения цепей управления грозовым разрядом. В этот перечень попадают повреждения бортовой аппаратуры авиалайнеров и космических кораблей, ложные отключения сразу целых «пакетов» высоковольтных ЛЭП, выход из строя аппаратуры антенных систем мобильной связи. К сожалению, заметное место здесь занимают и «бьющие» по карману обычных граждан повреждения бытовой техники, все больше заполняющей наши дома.
В мировой практике известно множество тяжелых аварий из-за разрушения цепей управления грозовым разрядом. В этот перечень попадают повреждения бортовой аппаратуры авиалайнеров и космических кораблей, ложные отключения сразу целых «пакетов» высоковольтных ЛЭП, выход из строя аппаратуры антенных систем мобильной связи. К сожалению, заметное место здесь занимают и «бьющие» по карману обычных граждан повреждения бытовой техники, все больше заполняющей наши дома.
ПУТИ ЗАЩИТЫ
Мы привыкли рассчитывать на защиту молниеотводами. Помните оду великого естествоиспытателя XVIII в., академика Михаила Ломоносова на их изобретение? Наш знаменитый соотечественник восторгался победой, говорил, что небесный огонь перестал быть опасным. Конечно, это приспособление на крыше жилого дома не даст молнии поджечь деревянный настил или другие горючие строительные материалы. В отношении же электромагнитных воздействий он бессилен. Совершенно безразлично, течет ли ток молнии в ее канале или по металлическому стержню молниеотвода, все равно он возбуждает магнитное поле и наводит за счет магнитной индукции во внутренних электрических цепях опасное напряжение. Для эффективной борьбы с этим молниеотвод обязан перехватывать канал разряда на отдаленных подступах к защищаемому объекту, т.е. стать очень высоким, потому что наводимое напряжение обратно пропорционально расстоянию до проводника с током.
Сегодня накоплен большой опыт использования таких конструкций разной высоты. Однако статистика не слишком утешительная. Зону защиты стержневого молниеотвода обычно представляют в виде конуса, осью которого он является, но с вершиной, расположенной несколько ниже, чем его верхний конец. Обычно 30-метровый «стержень» обеспечивает 99%-ную надежность защиты здания, если возвышается над ним примерно на 6 м. Добиться этого — не проблема. Но с увеличением высоты молниеотвода расстояние от его вершины до «прикрываемого» объекта, минимально необходимое для удовлетворительной защиты, стремительно нарастает. Для 200-метровой конструкции той же степени надежности этот параметр уже превышает 60 м, а для 500-метровой — 200 м.
В подобной роли выступает и упомянутая Останкинская телебашня: она не в состоянии защитить самое себя, пропускает удары молнии на расстоянии 200 м ниже вершины. Радиус зоны защиты на уровне земли для высоких молниеотводов также резко увеличивается: у 30-метрового он сопоставим с его высотой, у той же телебашни — 1/5 ее высоты.
Иными словами, нельзя надеяться, что молниеотводы традиционной конструкции сумеют перехватить молнию на дальних подступах к объекту, особенно если последний занимает большую площадь на поверхности земли. Значит, нужно считаться с реальной вероятностью грозового разряда в территорию электрических станций и подстанций, аэродромов, складов жидкого и газообразного топлива, протяженных антенных полей. Растекаясь в земле, ток молнии частично попадает в многочисленные подземные коммуникации современных технических объектов. Как правило, там находятся электрические цепи систем автоматики, управления и обработки информации - тех самых микроэлектронных устройств, о которых говорилось выше. Кстати, расчет токов в земле сложен даже в самой простейшей постановке. Трудности усугубляются из-за сильных изменений сопротивления большинства грунтов в зависимости от силы растекающихся в них токов килоамперного уровня, как раз свойственных разрядам атмосферного электричества. К расчету цепей с такими нелинейными сопротивлениями неприменим закон Ома.
К «нелинейности» грунта добавляется вероятность образования в нем протяженных искровых каналов. Ремонтные бригады кабельных линий связи хорошо знакомы с такой картиной. От высокого дерева на лесной опушке по земле тянется борозда, будто от сохи или старинного плуга, и обрывается точно над трассой подземного телефонного кабеля, который в этом месте поврежден - металлическая оболочка смята, изоляция жил разрушена. Так проявилось действие молнии. Она ударила в дерево, и ее ток, растекаясь по корням, создал в грунте сильное электрическое поле, сформировал в нем плазменный искровой канал. Фактически молния как бы продолжила свое развитие, только не по воздуху, а в земле. И так она может проходить десятки, а в особенно плохо проводящих ток грунтах (скальных или вечномерзлых породах) и сотни метров. Прорыв ее к объекту осуществляется не традиционным путем — сверху, а, минуя любые молниеотводы, снизу. Скользящие разряды вдоль поверхности грунта хорошо воспроизводятся в лаборатории. Все эти сложные и сильно нелинейные явления нуждаются в экспериментальном исследовании, моделировании.
Ток для рождения разряда может быть сформирован искусственным импульсным источником. Энергия около минуты накапливается в конденсаторной батарее, а потом за десяток микросекунд «выплескивается» в бассейн с грунтом. Подобные емкостные накопители есть во многих высоковольтных исследовательских центрах. Их габариты достигают десятков метров, масса — десятков тонн. Такие не доставишь на территорию электрической подстанции или другого промышленного объекта, чтобы в полном масштабе воспроизвести условия растекания токов молнии. Это удается разве что случайно, когда объект соседствует с высоковольтным стендом — например, в открытой установке Сибирского научно-исследовательского института энергетики импульсный генератор высоких напряжений размещен рядом с ЛЭП в 110 кВ. Но это, конечно, исключение.
ИМИТАТОР УДАРА МОЛНИИ
На деле же речь должна идти не об уникальном эксперименте, а о рядовой ситуации. В полномасштабной имитации тока молнии крайне нуждаются специалисты, поскольку только так можно получить достоверную картину распределения токов по подземным коммуникациям, измерить последствия воздействия электромагнитного поля на устройства микропроцессорной техники, определить характер распространения скользящих искровых каналов. Соответствующие испытания должны стать массовыми и производиться до ввода в эксплуатацию каждого принципиально нового ответственного технического объекта, как это давно делается в авиации, космонавтике. Сегодня нет иной альтернативы, кроме создания мощного, но малогабаритного и мобильного источника импульсных токов с параметрами тока молнии. Его макетный образец уже существует и успешно испытан на подстанции «Донино» (110 кВ) в сентябре 2005 г. Все оборудование разместилось в заводском прицепе от серийной «Волги».
Мобильный испытательный комплекс построен на основе генератора, который преобразует механическую энергию взрыва в электрическую. Этот процесс в основном хорошо известен: он имеет место в любой электрической машине, где механическая сила движет ротор, противодействуя силе его взаимодействия с магнитным полем статора. Принципиальное различие же состоит в исключительно высокой скорости выделения энергии при взрыве, быстро разгоняющего металлический поршень (лайнер) внутри катушки. Он за микросекунды вытесняет магнитное поле, обеспечивая возбуждение высокого напряжения в импульсном трансформаторе. После дополнительного усиления импульсным трансформатором напряжение формирует ток в испытуемом объекте. Идея этого устройства принадлежит нашему выдающемуся соотечественнику, «отцу» водородной бомбы академику А.Д. Сахарову.
Взрыв в специальной высокопрочной камере разрушает лишь катушку длиной 0,5 м и лайнер внутри нее. Остальные элементы генератора используют многократно. Схему можно настроить так, чтобы скорость роста и длительность формируемого импульса соответствовали аналогичным параметрам тока молнии. Причем его удается «вогнать» в объект большой длины, например, в провод между опорами ЛЭП, в контур заземления современной подстанции или в фюзеляж авиалайнера.
При испытаниях макетного образца генератора в камеру заложили всего 250 г взрывчатки. Этого достаточно для формирования импульса тока амплитудой до 20 000 А. Правда, для первого раза на столь радикальное воздействие не пошли — ток ограничили искусственно. При запуске установки раздался лишь легкий хлопок погашенного камерой взрыва. А проверенные затем записи цифровых осциллографов показали: импульс тока с заданными параметрами успешно был введен в молниеотвод подстанции. Датчики отметили скачок напряжения в различных точках контура заземления.
Ныне штатный комплекс в процессе подготовки. Он будет настроен на полномасштабную имитацию токов молнии и при этом разместится в кузове серийного грузовика. Взрывная камера генератора рассчитана на работу с 2 кг взрывчатки. Есть все основания считать, что комплекс окажется универсальным. С его помощью можно будет испытывать на устойчивость к воздействию тока и электромагнитного поля молнии не только электроэнергетические, но и другие крупногабаритные объекты новой техники: АЭС, телекоммуникационные устройства, ракетные комплексы и т.д.
Хотелось бы закончить статью на мажорной ноте, тем более, что для этого есть основания. Ввод штатного испытательного комплекса позволит объективно оценивать эффективность самых современных защитных средств. Тем не менее, какая-то неудовлетворенность все равно остается. Фактически человек снова идет на поводу у молнии и вынужден мириться с ее своеволием, теряя при этом немало денег. Применение средств молниезащиты приводит к увеличению габаритов и веса объекта, растут затраты дефицитных материалов. Вполне реальны парадоксальные ситуации, когда размеры защитных средств превышают таковые защищаемого конструктивного элемента. В инженерном фольклоре хранится ответ известного авиаконструктора на предложение спроектировать абсолютно надежный самолет: такую работу можно выполнить, если заказчик смирится с единственным недостатком проекта — самолет никогда не оторвется от земли. В молниезащите сегодня происходит нечто подобное. Вместо наступления специалисты держат круговую оборону. Чтобы вырваться из порочного круга, нужно понять механизм формирования траектории молнии и найти средства управления этим процессом за счет слабых внешних воздействий. Задача сложная, но далеко не безнадежная.
Сегодня ясно, что молния, движущаяся от облака к земле, никогда не ударяет в наземный объект: от его вершины навстречу приближающейся молнии прорастает искровой канал, так называемый встречный лидер. В зависимости от высоты объекта он вытягивается на десятки метров, иногда на несколько сотен и встречает молнию. Конечно, это «свидание» происходит не всегда — молния может промахнуться.
Но вполне очевидно: чем раньше возникнет встречный лидер, тем дальше он продвинется к молнии и, значит, больше шансов на их встречу. Следовательно, нужно научиться «тормозить» искровые каналы от защищаемых объектов и, напротив, стимулировать от молниеотвода. Основание для оптимизма внушают те весьма слабые внешние электрические поля, в которых формируется молния. В грозовой обстановке поле у земли около 100-200 В/см — примерно такое же, как на поверхности электрического шнура утюга или электробритвы. Раз молния довольствуется такой малостью, значит столь же слабыми могут быть управляющие ею воздействия. Важно только понять, в какой момент и в каком виде они должны быть поданы. Впереди трудная, но интересная исследовательская работа.
Мобильный испытательный комплекс построен на основе генератора, который преобразует механическую энергию взрыва в электрическую. Этот процесс в основном хорошо известен: он имеет место в любой электрической машине, где механическая сила движет ротор, противодействуя силе его взаимодействия с магнитным полем статора. Принципиальное различие же состоит в исключительно высокой скорости выделения энергии при взрыве, быстро разгоняющего металлический поршень (лайнер) внутри катушки. Он за микросекунды вытесняет магнитное поле, обеспечивая возбуждение высокого напряжения в импульсном трансформаторе. После дополнительного усиления импульсным трансформатором напряжение формирует ток в испытуемом объекте. Идея этого устройства принадлежит нашему выдающемуся соотечественнику, «отцу» водородной бомбы академику А.Д. Сахарову.
Взрыв в специальной высокопрочной камере разрушает лишь катушку длиной 0,5 м и лайнер внутри нее. Остальные элементы генератора используют многократно. Схему можно настроить так, чтобы скорость роста и длительность формируемого импульса соответствовали аналогичным параметрам тока молнии. Причем его удается «вогнать» в объект большой длины, например, в провод между опорами ЛЭП, в контур заземления современной подстанции или в фюзеляж авиалайнера.
При испытаниях макетного образца генератора в камеру заложили всего 250 г взрывчатки. Этого достаточно для формирования импульса тока амплитудой до 20 000 А. Правда, для первого раза на столь радикальное воздействие не пошли — ток ограничили искусственно. При запуске установки раздался лишь легкий хлопок погашенного камерой взрыва. А проверенные затем записи цифровых осциллографов показали: импульс тока с заданными параметрами успешно был введен в молниеотвод подстанции. Датчики отметили скачок напряжения в различных точках контура заземления.
Ныне штатный комплекс в процессе подготовки. Он будет настроен на полномасштабную имитацию токов молнии и при этом разместится в кузове серийного грузовика. Взрывная камера генератора рассчитана на работу с 2 кг взрывчатки. Есть все основания считать, что комплекс окажется универсальным. С его помощью можно будет испытывать на устойчивость к воздействию тока и электромагнитного поля молнии не только электроэнергетические, но и другие крупногабаритные объекты новой техники: АЭС, телекоммуникационные устройства, ракетные комплексы и т.д.
Хотелось бы закончить статью на мажорной ноте, тем более, что для этого есть основания. Ввод штатного испытательного комплекса позволит объективно оценивать эффективность самых современных защитных средств. Тем не менее, какая-то неудовлетворенность все равно остается. Фактически человек снова идет на поводу у молнии и вынужден мириться с ее своеволием, теряя при этом немало денег. Применение средств молниезащиты приводит к увеличению габаритов и веса объекта, растут затраты дефицитных материалов. Вполне реальны парадоксальные ситуации, когда размеры защитных средств превышают таковые защищаемого конструктивного элемента. В инженерном фольклоре хранится ответ известного авиаконструктора на предложение спроектировать абсолютно надежный самолет: такую работу можно выполнить, если заказчик смирится с единственным недостатком проекта — самолет никогда не оторвется от земли. В молниезащите сегодня происходит нечто подобное. Вместо наступления специалисты держат круговую оборону. Чтобы вырваться из порочного круга, нужно понять механизм формирования траектории молнии и найти средства управления этим процессом за счет слабых внешних воздействий. Задача сложная, но далеко не безнадежная.
Сегодня ясно, что молния, движущаяся от облака к земле, никогда не ударяет в наземный объект: от его вершины навстречу приближающейся молнии прорастает искровой канал, так называемый встречный лидер. В зависимости от высоты объекта он вытягивается на десятки метров, иногда на несколько сотен и встречает молнию. Конечно, это «свидание» происходит не всегда — молния может промахнуться.
Но вполне очевидно: чем раньше возникнет встречный лидер, тем дальше он продвинется к молнии и, значит, больше шансов на их встречу. Следовательно, нужно научиться «тормозить» искровые каналы от защищаемых объектов и, напротив, стимулировать от молниеотвода. Основание для оптимизма внушают те весьма слабые внешние электрические поля, в которых формируется молния. В грозовой обстановке поле у земли около 100-200 В/см — примерно такое же, как на поверхности электрического шнура утюга или электробритвы. Раз молния довольствуется такой малостью, значит столь же слабыми могут быть управляющие ею воздействия. Важно только понять, в какой момент и в каком виде они должны быть поданы. Впереди трудная, но интересная исследовательская работа.
Академик Владимир ФОРТОВ, Объединенный институт физики высоких температур РАН,
доктор технических наук Эдуард БАЗЕЛЯН, Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского
"Наука в Росссии", № 5 - 2006
Достоевский 
Симонов Константин Михайлович