Природа молнии. 2 часть.

Природа и уровни грозовых перенапряжений. 2 часть.

Содержание:

1.5 Занос высокого потенциала по подземным коммуникациям (к содержанию)
Схема на рис. 12 демонстрируют типичную ситуацию. Молниеотвод принял на

Рис. 12
Схема транспортировки высокого напряжения от места удара молнии

себя удар молнии. Ее ток растекается через заземлитель молниеотвода, рядом с которым проходит трасса подземных коммуникаций. Это может быть, например, водопроводная труба или кабель с металлической оболочкой. Если расстояние D между коммуникацией и электродами заземлителя не слишком велико, происходит искровое перекрытие и конец коммуникации приобретает высокий потенциал заземлителя Uз = Rз1IM, как правило, порядка мегавольта. Теперь коммуникация играет роль проводника, который в состоянии передать напряжение какому-то другому элементу схемы, например, заземлителю объекта, к которому она присоединена. При большом расстоянии между объектом и местом ввода тока молнии транспортировка высокого напряжения, естественно, осуществляется с потерями. Важно понять, чем они определяются, для того чтобы определить практически значимую длину транспортировки.
Продольное сопротивление коммуникации большого влияния не оказывает. Даже для стального проводника сечением 100 мм2 (для подземной трубы это совсем немного) погонное сопротивление R0 оценивается как 10-3 Ом/м. На длине 1000 м набирается всего 1 Ом, на порядок меньше типового сопротивления заземления молниезащиты. Существенно большее значение имеет индуктивность коммуникации и ее проводимость утечки в окружающий грунт.

Рис. 13
Импульс перенапряжения, доставленный к заземлителю объекта с сопротивлением
заземления 10 Ом по металлической трубе длиной 500 м и диаметром 100 мм;
труба проложена на глубине 1 м в грунте с удельным сопротивлением 1000 Ом м.
Расчет выполнен для импульса тока молнии 5/100 мкс амплитудой 100 кА, который
введен в грунт через сопротивление заземления молниеотвода 20 Ом

Методика решения подобных задач хорошо разработана. Она сводится к численному расчету схемы замещения с распределенными параметрами, в качестве которых фигурируют погонная проводимость поперечной утечки тока с коммуникации в грунт, погонная индуктивность коммуникации и ее погонная емкость. В качестве сосредоточенных параметров в схему замещения вводятся сопротивления заземления в начале и в конце коммуникации.
Результаты расчетов на рис. 13 и 14 дают основания заключить, что занос высокого потенциала на значительные расстояния и без особых потерь возможен только в грунте с большим удельным сопротивлением. Так, при удельном сопротивлении 1000 Ом м разряд молнии с током 5/100 мкс амплитудой 100 кА на расстоянии 500 м от объекта стал причиной повышения напряжения на его заземлителе (Rз = 10 Ом) до 160 кВ (рис. 13). В тех же условиях, но при удельном сопротивлении 100 Ом м фронт импульса

Рис. 14
Импульс перенапряжения, доставленный к заземлителю объекта с сопротивлением
заземления 10 Ом по металлической трубе длиной 500 м и диаметром 100 мм;
труба проложена на глубине 1 м в грунте с удельным сопротивлением 100 Ом м.
Расчет выполнен для импульса тока молнии 5/100 мкс амплитудой 100 кА, который
введен в грунт через сопротивление заземления молниеотвода 20 Ом

перенапряжения очень резко деформируется, увеличиваясь от 5 мкс (фронт импульса тока молнии) почти до 300 мкс, а амплитуда перенапряжения снижается до 12 кВ.
Транспортировка высокого потенциала особо эффективна, когда наружная поверхность коммуникации надежно изолирована от грунта. Такая ситуация характерна для трубопроводов, выполненных из пластиковых труб с хорошо проводящей жидкостью внутри.
Сопротивление заземления объекта также оказывает заметное влияние на занос высокого потенциала. Величина потенциала максимальна, когда коммуникация вообще не присоединена к заземлителю объекта. Результаты численного моделирования на рис. 15 воспроизводят подобную ситуацию для условий, аналогичных указанным на рис. 13.

Рис. 15
Импульс перенапряжения, доставленный к объекту по металлической трубе длиной
500 м и диаметром 100 мм; труба проложена на глубине 1 м в грунте с удельным
сопротивлением 1000 Ом м (ее дальний конец не связан с заземлителем объекта).
Расчет выполнен для импульса тока молнии 5/100 мкс амплитудой 100 кА, который
введен в грунт через сопротивление заземления молниеотвода 20 Ом

Как видим, дальний конец коммуникации, не связанный с заземлителем объекта, оказался под напряжением 250 кВ.
На практике очень часто приходится иметь дело с подземными коммуникациями умеренной длины, ~ 100 м. Перенос высокого потенциала по ним может представлять реальную опасность даже в очень хорошо проводящих грунтах (r ~ 100 Ом м). Как пример рис. 16 демонстрирует расчетный импульс перенапряжения, переданный к объекту по коммуникации длиной 100 м, когда все остальные параметры расчета полностью аналогичны представленным на рис. 14. Там же, для сопоставления представлены

Рис. 16
Импульс перенапряжения, доставленный к заземлителю объекта с сопротивлением
заземления 10 Ом по металлической трубе диаметром 100 мм, труба
проложена на глубине 1 м в грунте с удельным сопротивлением 100 Ом м.
Расчет выполнен для импульса тока молнии 5/100 мкс амплитудой 100 кА, который
введен в грунт через сопротивление заземления молниеотвода 20 Ом;
(длина трубы указана на кривых).

результаты расчета при длине трубы l = 500 м. Видно, что сокращение длины коммуникации усилило уровень перенапряжений более, чем на порядок величины.
Хотя все виды грозовых перенапряжений, так или иначе, связаны с током молнии, их проявления исключительно разнообразны и по природе возникновения, и по достигаемым уровням. Как правило, анализ приходится производить конкретно для каждого защищаемого объекта, оценивая и опасность повреждения оборудования, и риск возбуждения ложных команд, и вероятность взрыва или пожара. Не менее разнообразны и средства защиты от перенапряжений. Нет смысла последовательно рассматривать все возможные схемы ограничения перенапряжений, режимы работы защитной аппаратуры или оценивать радиусы защиты (они есть не только у молниеотводов). Все это должны делать специалисты, обладающие необходимым программным обеспечением и большим опытом работы. Завершающий раздел статьи будет посвящен как раз не различиям, а общности подходов, которую очень полезно иметь в виду, проектируя защиту от грозовых перенапряжений.

2. Защита от грозовых перенапряжений (к содержанию)

В стандарте МЭК предложен принцип зонной защиты от перенапряжений. Он целиком повторен в отечественном нормативе «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» 2003 г. Термин “зонная система защиты” похож по звучанию на зону защиты молниеотводов, но не имеет с ней ничего общего. По сути дела речь идет об условном делении пространства в окрестности и внутри защищаемого объекта по степени опасности воздействия электромагнитного поля молнии. Это достаточно полезно для проектировщика, потому что заставляет его относиться с большим вниманием к выбору средств защиты. Пожалуй, это все. Какой-нибудь технической специфики за делением защищаемого объема на зоны нет.
Нумерация зон начинается с нуля; далее по мере увеличения номера зоны ослабляется электромагнитное поле, воздействующее на электрические цепи и оборудование, которые располагаются в ее объеме.
Объекты зоны 0 могут подвергаться прямому удару молнии. При этом ток молнии может непосредственно распространяться по металлоконструкциям объекта и электромагнитное поле тока практически не ослаблено. Наружная антенная система здания, например, как правило, размещена в зоне 0.
Объекты зоны 0Е от прямых ударов молнии защищены, но электромагнитное поле ее тока практически не ослаблено. В такой зоне может, например, располагаться наружная антенна, когда она и здание защищены отдельно стоящим молниеотводом, изоляционные расстояния до которого выбраны по Инструкции РД 34.21.122-87 или по ПУЭ (т.е. не превышают 10 м).
Объекты зоны 1 не просто защищены от прямого удара молнии, но и находятся внутри объема, частично экранированного от электромагнитного поля тока молнии. Функцию такого экрана чаще всего выполняет арматура железобетонных перекрытий и кровли, пола, стен здания. Экранировка никогда не бывает полной из-за большого числа различных прозрачных для излучения отверстий (например, окон), но электромагнитное поле внутри зоны 1 тем не менее заметно ослаблено и проектировщик должен стремиться к тому, чтобы добиться максимально возможного экранирующего эффекта. Именно с этой целью, заземляют, например, все металлические коммуникации на входе в здание.
Объекты прочих зон (2,3....) приходится вводить, если экранирование на границе между нулевой и первой зонами оказывается несовершенным. Например, не стоит рисковать особо чувствительным прибором, размещая его на столе перед окном лабораторного помещения. Разумнее соорудить металлическую измерительную кабину и поместить прибор внутри вторично экранированного объема. Эффект будет очень существенным, особенно если позаботиться об автономном питании прибора и организовать оптические каналы связи с датчиками.
Фактически каждая следующая по номеру зона представляет собой часть объема предыдущей, которая обладает дополнительным экранированием (рис. 17)

Рис. 17
Зоны защиты от электромагнитного поля молнии

Принцип последовательного (от границы к границе) ослабления электромагнитного поля молнии в достаточной мере очевиден и качественно понятен. Но в количественном отношении он вряд ли чем может быть полезен проектировщику, который на каждом шаге проектирования молниезащиты должен извлечь максимум возможного из применяемых технических средств.
Начинать всегда приходится с молниеприемников и токоотводов. Качественно спроектированные средства внешней молниезащитной системы позволяют существенно снизить последующие затраты на реализацию средств защиты от перенапряжений. Замечательно, если существует возможность перехватывать молнии на дальних подступах к защищаемому объекту, скажем, на расстоянии от него порядка сотен метров. Это бы очень сильно ослабило магнитное поле тока молнии, а значит и все виды индуцированных перенапряжений. Жаль, что радиус зоны защиты традиционно используемых стержневых молниеотводов даже на уровне земли сопоставим с высотой молниеприемника. Зато понятно, чем пытаются завлечь доверчивых покупателей не вполне чистоплотные предложения производителей активных молниеотводов, - они необоснованно обещают непомерно широкие зоны защиты (подробно в статье об активных молниеприемниках).
Но и без надежд на чудо можно добиться многого. Достаточно распределить ток молнии по многим токоотводам, выведя его из внутренних металлоконструкций здания на металлическую обшивку стен, чтобы, как это уже было показано в статье о токоотводах, многократно ослабить индуцированные перенапряжения. Таким образом, проектируя средства внешней молниезащиты, опытный проектировщик подготавливает почву для успешной борьбы с перенапряжениями во внутренних зонах объекта. В том же направлении будет действовать заземление оболочек подземных и наземных коммуникаций, входящих в защищаемое здание, прокладка экранированных цепей от внешних датчиков к внутренней аппаратуре контроля, устройство оптоволоконных развязок или оснащение датчиков блоками оперативной памяти, которая позволяет избегать прокладки длинных электрических коммуникаций, заменяя их кратковременно работающими радиоканалами.
Комплекс подобных мероприятий может показаться неоправданно обременительным, однако в подавляющем большинстве практически значимых ситуаций, он несопоставимо эффективнее оснащения средствами защиты от перенапряжений электрических цепей каждого из многих сотен и тысяч элементов оборудования. Задача выбора направления борьбы – с электромагнитным полем молнии или непосредственно с перенапряжениями, которые этим полем вызываются, должна по возможности разрешаться в пользу средств ограничения поля. Главная причина подобного подхода связана с тем, что средства ограничения электромагнитного поля практически никогда не размещаются непосредственно в защищаемой электрической цепи, не увеличивают числа элементов, входящих в ее состав, а значит, не искажают частотной характеристики, и не снижают надежности функционирования объекта хотя бы непосредственным увеличением числа комплектующих (полупроводниковые ограничители перенапряжений или разрядники 100%-ной надежностью не обладают).
В реальной обстановке эффективное решение приходится искать, перебирая различные комбинации “внешних” и “внутренних” технических мероприятий. Было бы, например, заманчивым заменить электроснабжение по воздушной линии 220/380 В с голыми фазными проводами на воздушную сеть с изолированными проводами, резко ограничив при этом размеры петли фаза-земля, в которой наводятся индуцированные перенапряжения. Однако, такое решение, помимо увеличения стоимости линии, может привести к ощутимой потере надежности электроснабжения на участках заполненных деревьями, особенно при больших ветровых нагрузках, ведущих к обрыву проводов падением крупных ветвей. Обрыв голых проводов устраняется несопоставимо быстрее, чем изолированных. В России подобная конструкция ВЛ пока еще не нашла массового применения. А вот локальные средства ограничения перенапряжений становятся популярнее с каждым годом. В связи с чем, наиболее широкое распространение получило ограничение перенапряжений.
Ограничитель перенапряжения работает как разрядник или как варистор, шунтируя вход защищаемой электрической цепи. Зазор между электродами воздушного или газонаполненного разрядника перекрывается искрой с низким сопротивлением, когда напряжение на электродах превышает некоторую пороговую величину. В воздухе, как правило, речь идет о единицах киловольт; в специальных газовых смесях напряжение срабатывания разрядника удается довести до 100 – 200 В, иногда еще в несколько раз меньше. В силовых электрических цепях всегда существует опасность перехода искрового разряда в стационарную дугу, а потому приходится заботиться об ее гашении после того, как затухнет импульс перенапряжения.
Проблемы гашения дуги не существует у ограничителей перенапряжения на основе варисторов, сопротивление которых резко меняется в зависимости от воздействующего напряжения. В силовых электрических цепях очень широкое распространение получили ограничители перенапряжения (ОПН) на основе оксида цинка. Оксидно-цинковая шайба отличается большим быстродействием и способна закоротить фазу ВЛ на землю в течение долей микросекунды после того, как напряжение на ней превысит рабочее напряжение на 30-40%. Столь же быстро шайба возвращается в исходное состояние, практически становясь изолятором после затухания индуцированного грозового перенапряжения. В результате внутренняя изоляция сети и подключенная к ней аппаратура остается неповрежденной даже при близком ударе молнии. Фирмы-изготовители поставляют ОПН на самые разные напряжения, от 220 В до ультравысокого. Устройства отличаются большой пропускной способностью и готовы выдержать ток прямого удара молнии.
Серьезную конкуренцию ОПН на российских рынках средств защиты от молнии могут составить искровые разрядники с автоматическим гашением дуги при токе промышленной частоты. Их главное достоинство – способность никак не реагировать на низкое качество электроэнергии в сетях низкого напряжения, где, например, из-за перекоса фаз потребитель в течение часов может питаться напряжением на десятки процентов выше номинального. Это ведет к росту тока утечки через оксидно-цинковую шайбу, ее перегреву и разрушению. Искровому разряднику ничего подобное не грозит. К тому же разрядник обладает низкой входной емкостью, что позволяет его устанавливать в высокочастотных цепях. Указанные преимущества в значительной степени компенсируют повышенную стоимость и увеличенные габариты аппарата.
Как правило, специализированными фирмами разрабатывается и производится несколько серий аппаратов для ограничения перенапряжений, принципиально различающихся по своему назначению. Наиболее мощные предназначаются для защиты силовых электрических цепей. Их рабочее напряжение в Европе обычно не ниже 220 В, а остаточное напряжение на ограничителе при максимальном токе через ОПН ( или разрядник) может быть еще выше, поскольку электрическая аппаратура, подключенная к сети, имеет достаточный запас прочности. Помимо ограничения грозового перенапряжения в сети независимо от принципа действия, аппарат обязан эффективно гасить сопровождающий ток промышленной частоты (или постоянный ток, если речь идет о силовой цепи постоянного тока). В большинстве практических ситуаций габариты ограничителя перенапряжений особого значения на имеют. В распределительных шкафах почти всегда находится место для его монтажа.
Достаточно большое число цепей современного офисного здания или промышленного объекта предназначается для передачи электрических сигналов низкой частоты и малой мощности. Это могут, например, быть каналы телефонной связи, цепи пожарной сигнализации или цепи датчиков охраны периметра, реагирующие на движение. Проблема гашения сопровождающего силового тока здесь не стоит. Зато к ограничителям перенапряжений предъявляется требования максимально возможного снижения габаритов и способности работать при предельно низком остаточном напряжении, которое может ограничиваться десятками вольт. Современные варисторные схемы удовлетворяют таким требованиям. В случае, когда они не проходят по пропускной способности, устраиваются многокаскадные схемы. Основная энергия грозового перенапряжения рассеивается мощным входным ограничителем, а более “деликатные” устройства доводят ограничиваемое напряжение до допустимого уровня.
Наконец, современной технике необходимо ограничивать перенапряжения в высокочастотных цепях. Здесь едва ли не главным требованием становятся низкая входная емкость и продольная индуктивность ограничителя. Только так можно исключить частотные искажения сигнала, передаваемого, например, от телевизионной антенны или от камеры видеонаблюдения к телевизору на контрольном пункте. Устройства для защиты высокочастотных цепей также выпускаются серийно. Иногда для увеличения пропускной способности из них тоже приходится организовывать каскадные схемы ограничения грозовых перенапряжений.
В заключение еще раз приходится повторить давно известный принцип – неприятность проще не допустить, чем потом устранять ее последствия.
Правильная расстановка молниеприемников, оптимизированная система отвода в землю тока молнии, разумная трассировка внутренних силовых цепей объекта, экранировка кабельных каналов микроэлектроники и компьютерной техники – все это если и не позволит полностью избежать установки ограничителей перенапряжений, то сведет их число до минимума и позволит обойтись достаточно простыми, надежными и дешевыми устройствами.