Захист від атмосферних перенапружень

Вступ

Унаслідок утеплення клімату на Землі нам часто доводиться зустрічатися з різного роду погодними аномаліями. Однією з них є все більш інтенсивна поява гроз. Під час звичайної грози доходить до декількох десятків атмосферних розрядів, званих «блискавками». Більшість людей знає як небезпечний для життя удар блискавки і застосовує більш або менш успішні засоби по захисту від цих ударів. Проте не всі надають значення факту, що поява атмосферних розрядів є однією з більш частих причин знищення і пошкоджень в місцях, які, на перший погляд, абсолютно не мають ніякого зв'язку з грозою і ударами блискавки. Під час одного атмосферного розряду в каналі блискавки може з'являтися струм з силою декількох десятків кА (тисячі ампер – в той час, як в домашній електромережі сила струму рідко преувеличивает16А). В результаті проходження такої сили струму з'являються перенапруження величиною до декількох сотень кВт. Схильними до виникнення таких напруг є електролінії, живлячі житлові будівлі, і електроустаткування, офісні і промислові приміщення, а також всілякі електропристрої, що знаходяться в спорудах. Атмосферні перенапруження викликають знищення і пошкодження електромашин домашнього господарства і електроустаткуванню промислових установок, незахищених від подібних перенапружень.

1.Умови і наслідки виникнення атмосферних перенапружень

При грозовому розряді протягом короткого часу при струмі блискавки 100—200 кА в каналі блискавки розвивається температура до 30 000⁰С. Унаслідок швидкого розширення нагрітого повітря виникає вибухова хвиля (грім). Струм блискавки проводить теплове, електромагнітне, а також механічну дію на ті об'єкти, по яких він проходить. Блискавка може викликати електростатичну і електромагнітну індукцію.

Електростатична індукція виявляється тим, що на ізольованих металевих предметах наводяться небезпечні електричні потенціали, унаслідок чого можливо іскріння між окремими металевими елементами конструкцій і устаткування. Електромагнітна індукція обумовлена швидкими змінами значення струму блискавки в металевих незамкнутих контурах, внаслідок чого в них наводиться електрорушійна сила, що приводить до небезпеки утворення іскріння в місцях зближення цих контурів.

При грозі під час попадання блискавки в різні промислові, транспортні і інші об'єкти, що знаходяться оддалік виробничих будівель і споруд, можливо проникнення (занесення) електричних потенціалів в будівлю по зовнішніх металевих спорудах і комунікаціях — естакадам, монорельсам і канатам підвісних доріг, по трубопроводах, оболонкам кабелів.

Для прийому електричного розряду блискавки і відведення її струму в землю застосовують пристрої, звані громовідводами. Громовідвід складається з несучої частини — опори, якій може служити сама будівля або споруда, блискавкоприймача, струмовідвода і заземлителя. Найбільш поширені стрижньові і тросові громовідводи.

Захисна дія громовідводу була заснована на властивості блискавки вражати найвищі і добре заземлені металеві споруди. Ця властивість характеризується зоною захисту, під яким розуміється простір, захищений з деякою вірогідністю від попадання блискавки. Вірогідність поразки повинна бути не більше 1 %, тобто коефіцієнт надійності захисту повинен складати не менш 99 %. Об'єкт вважається захищеним, якщо всі його частини знаходяться в межах зони захисту. Зону захисту визначають по емпіричних формулах, графічних побудовах, по таблицях і монограмах, приведених в спеціальній літературі по проектуванню і пристрою блискавкозахисту.

2. Пристрої і методи захисту від атмосферних перенапружень

Перенапруження - тимчасовий надлишок енергії електромагнітного поля на ділянці мережі. Захист електромережі зводиться до того, щоб шляхом акумуляції або розсіяння надмірної енергії забезпечити споживачів електроенергії і ізоляційні конструкції від електричного пробою. Атмосферні перенапруження характеризуються порівняно невеликою енергією порядку млн. Дж, малою тривалістю дії (від часток до декількох десятків мксек) і великою амплітудою (млн. В). Внутрішні перенапруження тривають від сотих часток сік до декількох сік і більш. Їх амплітуда може значно перевищувати амплітуду робочої напруги, а енергія досягати десятків млн. Дж (в електроустановках 500 кВ). Амплітуда внутрішніх перенапружень залежить від схеми електричної мережі, параметрів її елементів і живлячих електростанцій. У ряді випадків для захисту від внутрішніх перенапружень можуть бути використані перемикаючі операції, змінюючі параметри мережі.

Приміщення і будівлі, насичені високотехнологічною електронікою, вимагають особливого захисту від імпульсних дій. Головне – передбачити шляхи проникнення цих згубних для електромереж чинників. Середня тривалість вертикального удару блискавки 60–100 мкс. Тому кожна з блискавок – це могутній згусток енергії, сила струму в якому досягає 200 000 А.Прямо в об'єкт блискавка потрапляє достатньо рідко – для цього на об'єкті вмонтовується зовнішня система блискавкозахисту. При виборі систем захисту важливо враховувати, якими шляхами може потрапити імпульсна дія на устаткування.

Один з них – непрямий удар блискавки.

Другий шлях – індуктивне зв'язане проникнення, головним чином, з самодіяльністю експлуатуючих організацій. Провідні структури, що вводяться в будівлю, яка захищається, ззовні, приносять з собою імпульсні дії. Якщо введення цих структур організовано неправильно або вони були прокладені спільно з внутрішніми мережами об'єкту, то імпульсні дії на устаткування виникнуть там, де їх ніхто не чекає.

Ще один приклад – прокладка магістрального кабелю зв'язку в лінійний апаратний зал. Кабель, який несе ззовні імпульсні перешкоди, по дорозі до устаткування щедро ділиться запасами енергії з сусідніми кабелями. В результаті в самих різних місцях об'єкту в роботі устаткування починаються збої, очевидних причин для яких, здавалося б, немає.

Немало випадків, коли грозові імпульси розповсюджуються по дротах ліній електропередачі на сотні кілометрів. Вони потрапляють через обмотки трансформаторів на низьковольтні кабелі і викликають відмову дорогого устаткування.

Тому сучасний блискавкозахист – це цілий комплекс заходів по запобіганню імпульсних перенапружень, що включає зовнішню, внутрішню системи захисту (систему зрівнювання потенціалів, доповнену пристроями захисту) і заземлення. Сучасний блискавкозахист забезпечує не тільки захист будівлі від атмосферних розрядів, але і оберігає устаткування об'єкту від імпульсних перенапружень і перешкод.

Основною задачею системи блискавкозахисту є уловлювання всіх потрапляючих в будівлю блискавок. Її роботу можна розділити на три основні процеси - уловлювання блискавки в місці попадання, токоотвод в грунт і заземлення. При цьому дуже важливо уникнути теплових, механічних або електричних побічних ефектів, оскільки це може привести до пошкодження конструкції об'єкту, що захищається, і до виникнення небезпечного для людей контактної або крокової напруги усередині будівлі. Система блискавкозахисту складається із зовнішнього і внутрішнього блискавкозахисту.

Виконання системи зрівнювання потенціалів передбачає з'єднання всіх підлягаючих заземленню провідників і металевих конструкцій між собою і заземленням. Система зрівнювання потенціалів комплектується шинами, сполучними клемами, хомутами і т.п.

Устаткування захисту від перенапружень. Це включені за спеціальними правилами розрядники, обмежувачі перенапруження для захисту різних електричних і телекомунікаційних мереж, електроустаткуванні і електронних приладів.

Комплексний блискавкозахист (зовнішній і внутрішній) забезпечує високий рівень безпеки будинків і споруд, надійність і безпеку електроустановок будівель. Дозволяє виконати блискавкозахист із збереженням архітектурної індивідуальності. Застосовується на будь-яких будівлях. Такий блискавкозахист реалізується на будь-якій стадії будівництва будівлі. Комплектується з елементів заводської готовності, що забезпечують мінімальний термін і технологічність реалізації. Виготовляється з антикорозійних матеріалів, що гарантують тривалий термін експлуатації.

Відповідно до вимог стандартів Міжнародної Електротехнічної Комісії (IEC) вся будівля, яка захищається від блискавки, поділяється на грозозахистні зони (LPZ). На межі між зонами захисту встановлюються пристрої захисту характерні тільки для даної зони.

Відповідно до «Інструкції по пристрою блискавкозахисту (грозозахисту) будівель, споруд і промислових комунікацій» (СО-153-34.21.122-2003) будь-який пристрій блискавкозахисту не може запобігти розвитку блискавки, але вживання нормативу при їх виборі істотно знижує ризик збитку від удару блискавки.

На вітчизняному ринку був представлений широкий асортимент пристроїв захисту від імпульсних взаємодій різних виробників, деякі з яких, на думку проектувальників, є передовими розробками в цій області.

Серед них активний молниеприемник Galactive для захисту житлових і суспільних будівель з площею крівлі до 250 кв. м.

На думку фахівців по блискавкозахисту будівель, металеві крівлі, які проектуються у тому числі як блискавкозахист, не завжди рятують об'єкт від руйнувань. Пробій може відбутися через неякісні з'єднання елементів крівлі або проржавілого фальца, викликати деформацію і руйнування листового матеріалу, спалах горючих матеріалів конструкцій крівлі.

Молнієпріємник служить для прийому прямого розряду, а токоотвод (спуск) – до заземлення. До сучасних заземлителів пред'являють ряд вимог: крім низького активного опору вони повинні володіти міцністю, довговічністю, корозійною стійкістю.

Сталевий стрижень з мідним покриттям, отриманим електролітичним способом, є основою системи заземлення Galmar. Сталь в такому заземлителі виконує необхідну для заглиблення його в грунт механічну роль, а фактичним провідником є через поверхневий ефект мідне покриття.

Завдяки можливості з'єднання стрижнів в сегменти різної довжини заземлитель Galmar можна занурювати на глибину до 30 м, запобігаючи впливу сезонних змін питомого опору грунтів.

Пристрої захисту від перенапружень в нашій країні, на жаль, є абсолютно новим напрямом в проектуванні різних систем. Як показує світова практика і наш власний досвід, матеріальні засоби, вкладені в системи захисту від перенапружень в процесі експлуатації систем окупаються сторицею. Ні для кого не секрет, що атмосферні явища у вигляді грозових розрядів і ударів блискавок створюють в атмосфері могутні електромагнітні поля. Ці поля, перетинаючи кабельні комунікації, наводять в них високі значення ЕДС, які у вигляді потенціалів прикладаються до устаткування, виводячи його з ладу. Для зниження наведених ЕДС в кабельних комунікаціях до припустимих значень і використовуються системи захисту від перенапружень.

Зовнішній блискавкозахист був призначений для захисту будівель і інших об'єктів при прямих ударах блискавки. Цей захист є одним або декількома низькоомними і малоіндуктівними шляхами струму блискавки на землю (громовідвід, що складається з токоприємника, токовідвода і заземлителя). Зовнішня грозозахист є класичною і виконується відповідно до діючих норм.

Внутрішня грозозахиста захищає електричне устаткування і електронні прилади усередині будівель від часткових струмів блискавки, від комутаційних, грозових перенапружень і підвищення потенціалу в системі заземлення. Крім того, внутрішній грозозахист забезпечує захист від дій, викликаних ударами блискавок, електромагнітних полів. Для внутрішнього грозозахисту основною умовою є наявність ефективної системи заземлення. Внутрішній грозозахист придбав значення лише останніми роками у зв'язку з широким розповсюдженням мікроелектроніки.

Однією з серйозних проблем в процесі організації захисту устаткування від грозових перенапружень є те, що нормативна база в цій області до теперішнього часу була розроблена недостатньо. Існуючі нормативні документи або містять в собі застарілі, не відповідні сучасним умовам вимоги, або розглядають їх частково.

В даний час існують наступні нормативні документи, які в тій чи іншій мірі розглядають питання захисту електроживлячих установок від імпульсних перенапружень:

·          Інструкція по пристрою блисковказахиста будівель і споруд (34.21.122-87).

·          Тимчасові вказівках по вживанню УЗО в електроустановках будівель (Лист Госенергонадзору України від 29.04.97 № 42-6/9-ЭТ разд.6, п. 6.3).

·        ПУЕ (7-е вид., п. 7.1.22)

ГОСТ Р 50571.18-2000, ГОСТ Р 50571.19-2000, ГОСТ Р 50571.20-2000. [2, с.215]

Висновки

Захист електричних мереж від коротких замикань займає найважливіше місце в системі захисту від перенапружень. Короткі замикання є основним видом аварії в електричних мережах як по частоті виникнення, так і за масштабом шкідливих наслідків. Захисні заходи розвиваються в двох напрямах: можливо більш швидке відключення пошкодженої ділянки мережі і штучне обмеження сили струму короткого замикання. Скорочення часу дії струму короткого замикання полегшує тепловий режим елементів мережі і сприяє підтримці стійкої паралельної роботи станцій.

Перелік посилань

1.  Кузнецов Б.В. Электробезопасность при эксплуатации электроустановок. Мн.: Беларусь, 1987. – 80с.

2.  Зоричев А.Л. Применение ограничителей перенапряжения для защиты электропитающих установок. М.: Энергоатомиздат, 1985. – 356с.

3.  Манойлов В.Е. Основы электробезопасности. Л.: Энергоатомиздат, 1991. – 480с.

4.  Мандрыкин С.А., Филатов А.А. Эксплуатация и ремонт электрооборудования станций и сетей. М.: Энергоатомиздат, 1983. – 344с.