Молния и атмосферное электричество

Молнии - одна из распространенных причин нежелательных перенапряжений, сбоев и отказов в СА. Заряд, накапливаемый в облаках, имеет потенциал величиной до нескольких миллионов вольт относительно поверхности Земли и чаще бывает отрицательным. Направление тока молнии может быть как от Земли к облаку при отрицательном заряде тучи (в 90 % случаев), так и от облака к Земле. Длительностью разряда молнии составляет в среднем 0.2с, редко до 1...1.5с, длительность переднего фронта импульса - 3 … 20 мкс, ток – единицы… сотни кА, температура в канале достигает 20 000°С, появляется мощное магнитное поле и радиоволны. Молнии могут образовываться также при пылевых бурях, метелях, извержениях вулканов.

Защита зданий от молнии. Инструкция СО-153-34.21.122-2003 устанавливает 4 уровня надежности защиты зданий и сооружений от молнии. Самый высокий, 1-й уровень защиты, имеет надежность 0.98, самый низкий, IV-й, - надежность 0.8. При расчете воздействий молнии на объекты используют параметры, указанные в табл. 16.1. Крутизна переднего фронта импульса тока молнии нормируется как интервал времени между уровнями тока 30 и 90 % от максимального значения.

Электрические характеристики молнии. Форма импульсов тока молнии:

(16.1)

где I - максимум тока; k - корректирующий коэф-т; t - время; τ₁, - постоянная времени фронта; τ₂, - постоянная времени спада.

Параметры, входящие в это соотношение приведены в табл. 16.2. Они соответствуют наиболее сильным молниевым разрядам, которые встречаются редко (менее 5 % случаев). Токи величиной 200 кА встречаются в 0,7...1 % случаев, 20 КА - в 50 % случаев.

 

Параметры тока молнии

Таблица 16.1.

Рис.16.5. Типовая форма импульса тока при разряде молнии

Параметр молнии У овень защиты I II III, IV Пиковое значение тока, кА       Полный заряд, Кл       Заряд в импульсе, Кл       Удельная энергия кДж/Ом       Средняя крутизна кА мкс

 

Параметры соотношения 16.1

Таблица 16.2.

Параметр	Первый импульс для уровня защиты	Последующие импульсы для уровня защиты
I	II	III, IV	I	II	III, IV
I, кА k τ1, мкс τ2, мкс					37,5
0,93 19,0	0.993 0.454

При разряде молнии появляется несколько импульсов (рис. 16.6). Крутизна фронта в последующих импульсах гораздо больше, чем в первом (рис. 16.7). Зависимости 1-ого и 2-го импульсов тока молнии и их производных от времени, построенные по (16.1), показаны на рис.16.7. Особенность: масштабы по времени на графиках логарифмические и различаются в 10 раз. Максимальная скорость нарастания (1-я производная) 1-го импульса составляет 25 кА/мкс, последующих импульсов - 280 кА/мкс.

 

Рис. 16.6. Зависимость тока первого (а) и второго (б) импульсов молнии и их производных от времени

Скорость нарастания тока используется для расчета величины наведенного импульса в кабелях СА.

На рис. 16.7 показана спектральная плотность мощности тока помехи. Поскольку эффективность экранирования э-м помехи существенно зависит от частоты, приведенный график позволяет обоснованно выбрать толщину и материал э-м экрана.

Частота поражения молнией зданий высотой 20м и размерами в плане 100x100м составляет один раз в 5 лет, а для зданий с размерами порядка 10x10м - одно попадание за 50 лет. Количество прямых ударов молнии в Останкинскую телебашню высотой 540 м составляет 30 ударов в год.

Атмосферное электричество – 2-ое природное явление, связанное с грозой. Электрический потенциал грозового облака во время дождя может составлять от десятков миллионов, до 1 млрд В. Когда напряженность электрического поля между облаком и поверхностью земли достигает 500..1000 В/м, начинается электрический разряд с острых предметов (мачты, трубы, деревья и т.п.). Во время разрядов молнии напряженность поля может резко менять свое направление.

Высокая напряженность поля, вызванная атмосферным электричеством, может наводить потенциалы величиной в несколько тысяч Вольт в плавающих цепях с высоким сопротивлением изоляции на землю и приводить к пробою оптронов в модулях гальванической развязки. Для защиты от атмосферного электричества гальванически изолированные цепи, не имеющие низкоомного пути на землю, должны быть помещены в заземленный электростатический экран или соединены с землей через резистор сопротивлением 0.1...1 Мом. В частности, атмосферное электричество является одной из причин, прокладывания промышленных сетей экранированным кабелем. Экран нужно заземлять только в одной точке.

Статическое электричество

Статическое электричество возникает на диэлектрических материалах. Величина заряда зависит от скорости движения трущихся тел, их материала и величины поверхности соприкосновения. Примерами трущихся тел могут быть:

1) ременный привод;

2) лента конвейера;

3) синтетическая одежда и обувь на теле человека;

4) поток непроводящих твердых частиц (пыли), газа или воздуха через сопло;

5) движение непроводящей жидкости, заполняющей цистерну;

6) автомобильные шины, катящиеся по непроводящей дороге;

7) резиновые ролики под стульями, когда стулья перемещаются по непроводящему полу.

Человек, идущий по синтетическому ковру, может приобрести на теле потенциал 15 кВ относительно земли и окружающих предметов (рис.16.10).

 

Рис.16.8. Максимальное напряжение, до которого может быть заряжен человек при контакте с указанными материалами (ГОСТ Р 51317.4.2)

Рис.16.9. Форма разрядного тока испытательного пистолета (ГОСТ Р 51317.4.2)

Ременный привод, состоящий из диэлектрического ремня и 2-х шкивов - наиболее общий пример генератора статического электричества. Потенциал статического заряда на ремне может достигать 60...100 кВ и пробиваемый воздушный промежуток - 9 см. Поэтому на взрывоопасных производствах (элеваторы, мельницы) ремни используют с проводящими присадками или металлизацией.

Для снятия зарядов с ремней и других электризующихся предметов используют заземленный подпружиненный металлический гребешок или щетку, которые касаются движущейся поверхности. Конвейерные ленты электризуются слабее ременного привода вследствие низкой скорости движения.

Вторым способом борьбы со статическим электричеством является применение увлажнителя воздуха в помещении для получения влажности выше 50 % (рис.16.8).

Для уменьшения зарядов на теле человека используют заземление запястья работников, электропроводные полы, электропроводную одежду, увлажнение воздуха.

Электростатический заряд создает вокруг себя электрическое поле, которое при достижении напряженности поля пробоя изоляции вызывает электростатический разряд - импульсный перенос заряда между телами с разными потенциалами. В результате протекания тока разряда по проводникам появляется кондуктивная помеха, во время разряда излучается э-м импульс, а пробой изоляции может привести к потере работоспособности электронных устройств.

Форма импульса, которым испытываются электронные устройства на устойчивость к электростатическим разрядам, и приближенно соответствующая форме импульса в реальных условиях эксплуатации приборов, приведена на рис.16.9. Величина перетекающего заряда определяется емкостью заряженного тела. Напряжение при испытаниях устанавливается в зависимости от степени жесткости испытаний 2 … 8кВ при контактном разряде и до 15кВ при воздушном (табл.16.3). Воздушный разряд более приближен к реальности, но он трудно воспроизводим, поэтому при испытаниях используют также и контактный разряд.

Испытательное напряжение

Таблица 16.3.

Контактный разряд	Воздушный разряд
Степень жесткости	Испытательное напряжение, кВ	Степень жесткости	Испытательное напряжение, кВ

Результатом возникновения статических электрических зарядов может быть пробой входных каскадов ИК, появление линий на CRT (Cathode Ray Tube) мониторах, перевод триггеров в другое состояние, поток ошибок в цифровых системах, пробой изоляции гальванически изолированных цепей, воспламенение взрывоопасной смеси, э-м импульс, кондуктивная помеха от импульса тока, возникающего во время разряда.

Для защиты систем автоматики от сбоев используют электростатические экраны, соединенные с экранным заземлением, преобразователи интерфейсов с защитой от статического электричества (например, преобразователь интерфейсов NL-232C [НИЛ АП] имеет защиту от статических зарядов с потенциалом до ±8кВ по стандарту IEC1000-4-2).

В параметрах средств автоматики иногда указывают величину напряжения, которым испытывались входные, выходные и интерфейсные цепи на воздействие электростатического заряда.

Электромагнитные помехи

Э-м помехи создаются проводниками, по которым течет переменный электрический ток или между которыми имеется переменное напряжение. Помеха может существовать в виде э-м волны, когда расстояние от источника помехи до приемника превышает длину волны λ, или в виде преобладающего электрического или магнитного поля около источника. Если расстояние до излучаемого элемента (антенны) существенно превышает λ /2π, такое э-м поле называют полем дальней зоны, в противоположном случае - полем ближней зоны.

В ближней зоне моделью передачи помехи является емкостная или индуктивная связь, в дальней зоне - модель распространения радиоволн от передающей к приемной антенне. Излученная мощность пропорциональна квадрату частоты. Поэтому, например, на частоте 50Гц излучения практически нет и помеха передается через емкостную или индуктивную связь.

Источником э-м поля помехи может быть радиомодем, радио- или сотовый телефон, радиоретранслятор, сотовый передатчик на крыше здания, двигатель с искрящими щетками, электросварочный аппарат, трамвай, люминесцентные лампы, тиристорный регулятор, компьютер, теле- и радиостанции, цифровая часть измерительной системы, реле регулятора, космическое коротковолновое излучение, удар молнии и др.

Источником э-м помехи может быть и сама СА, содержащая компьютер, реле, тиристоры, мощные выходы дискретных модулей. Сильным источником э-м помех являются оптоволоконные передатчики, поскольку они потребляют большой ток и работают на высоких частотах. Излучаются такие помехи с помощью случайных проводников, образующих дипольную или рамочную антенну. Дипольная антенна - источник преимущественно электрического поля в ее окрестности, рамочная - источником магнитного поля. Вдали от таких источников доминирующего поля нет, есть поперечная э-м волна. Реальные системы образуют множество излучающих антенн, состоящих из проводов, кабелей и различных металлических поверхностей.

Помехи с частотой выше 100 кГц находятся обычно за границей частотного диапазона измерительных систем, однако высокочастотные помехи могут быть нежелательным образом выпрямлены или перенесены в область более низких частот с помощью нелинейных характеристик диодов и транзисторов, расположенных на измерительной плате и внутри микросхем.

Наводятся э-м помехи на всех проводящих предметах, которые в рассматриваемом случае играют роль антенн. Мощность наведенной помехи зависит от площади контура, охваченного проводником и его сопротивления. Помеха, наведенная в антенне, кондуктивным путем может передаваться в сигнальные цепи или цепи заземления, вызывая поток ошибок в цифровых схемах или погрешность передачи сигнала в аналоговых.

Наиболее распространенным приемником э-м помех являются длинные провода: цепи заземления, промышленные сети (полевые шины), кабели, соединяющие датчики и модули аналогового ввода, кабели информационных коммуникаций. Замаскированными приемниками э-м помех являются металлические конструкции в зданиях: металлические стеллажи, окна с металлической рамой, трубы водоснабжения и отопления здания, защитное контурное заземление здания.

Основным методом борьбы с э-м наводками является уменьшение площади контура, принимающего помеху, и применение дифференциального способа передачи сигнала в сочетании с витыми парами проводов. Однако даже в контуре с маленькой площадью может наводиться большая помеха, если при монтаже допущена ошибка, показная на рис.17.10: в железной раме стеллажа (стола или другой конструкции), выполняющей роль магнитопровода, от источника тока I₁ наводится магнитное поле помехи Н_пом, которое наводит напряжение V_пом во 2-м витке провода. Два витка и сердечник в этом примере образуют трансформатор с ферромагнитным сердечником.

Рис.16.10. Наведение электромагнитной помехи через взаимную индуктивность и магнитопровод

Рис.16.11. Изменение направления магнитного поля через промежуточный короткозамкнутый виток

Второй аналогичный эффект иллюстрируется рис. 16.11: ток взаимной индукции, протекая через к.з. виток, создает магнитное поле, которое наводит э.д.с. V_пом в соседнем контуре. В данном примере к.з. виток изменяет направление магнитного поля, поэтому помеха может наводиться и в плоскости, перпендикулярной плоскости контура тока молнии Iм. Множество к.з. витков существует в металлической решетке железобетонной конструкции здания.

16.3. Другие типы помех

В измерительных цепях, находящихся в состоянии движения (вибрации), источником помех может быть трибоэлектричество, возникающее при трении тел из различных материалов, а также пьезоэлектричество и эффект электростатического или э-м микрофона.

Методы борьбы с помехами такого типа сводятся к закреплению и механическому демпфированию движущихся частей электрической схемы.

В системах с очень высокой чувствительностью могут наблюдаться паразитные напряжения, вызванные термоэлектрическим эффектом в контактах разнородных металлов (например, медь и оловянно-свинцовый припой). Эти источники помех опасны тем, что встречаются редко, поэтому о них часто забывают.

16.4. Защита от внешних помех

При конструировании электронной аппаратуры ПА для снижения уровня помех используют:

1) микромощную элементную базу с невысоким быстродействием,

2) уменьшение длины проводников

3) экранирование.

Особые меры принимаются для снижения помех от радиопередающих устройств беспроводных сетей.