Защита от молний технических средств ПА

Защита зданий от прямого удара молнии выполняется созданием молниеотводов, состоящих из штыря (молниеприемника), находящегося над зданием, заземлителя и соединяющего их проводника. Обычно используют несколько молниеприемников и систему заземлителей. Система молниеотвода образует низкоимпедансный путь для прохождения тока молнии на землю, минуя структуры здания. Молниеотвод должен находиться как можно дальше от здания, чтобы ослабить эффект взаимной индукции, и в то же время достаточно близко, чтобы защитить здание от прямого попадания молнии. Для зданий с большой площадью крыши молниеотводы устанавливают на крыше и соединяют между собой и с заземлителем стальными полосами.

Заземлитель молниеотвода - выполняют отдельно от защитного заземления здания, но электрически соединяют с ним с целью выравнивания потенциалов и устранения возможных искрений.

Ток молнии, проходя по земле, создает на ней падение напряжения, которое может вывести из строя драйверы сетевых интерфейсов, если они не имеют гальванической развязки и расположены в разных зданиях (с разными заземлителями).

В линиях электропередачи разряд молнии принимается на экранирующий провод, который отводит молнию в землю через заземлитель. Экранирующий провод протягивают над фазовыми проводами, однако на фазовых проводах из-за э-м индукции наводится импульс э.д.с. Этот импульс проходит на трансформаторную подстанцию, где ослабляется искровыми разрядниками. Остаточный импульс проходит в потребительскую линию (рис.16.1а) и через силовой трансформатор - в цепи заземления СА (рис.16.4).

На СА молнии воздействуют через э-м импульс, который через э-м индукцию может привести к пробою изоляции устройств гальванической развязки и пережечь провода малого поперечного сечения, а также вывести из строя микросхемы.

Молниеотводы защиты от прямого удара молнии, не могут существенно уменьшить напряженность электрического поля атмосферных зарядов и никак не защищают аппаратуру от мощного э-м импульса во время грозы.

Пути прохождения импульса молнии. Наибольшая величина э-м помехи (наводки) получается при ударе молнии в близко расположенный молниеотвод. Поскольку напряженность магнитного поля спадает обратно пропорционально расстоянию от источника поля, одним из способов решения проблемы может быть отдаление кабелей от молниеотвода. Используются также э-м экранирование, полупроводниковые и газоразрядные защитные элементы.

Для оценки напряжения и тока, наводимые молнией в кабелях ПА предположим, что ток молнии проходит по длинному вертикально расположенному молниеотводу, а здание не имеет экранирующих железобетонных конструкций. Тогда напряженность магнитного поля внутри здания на расстоянии R от молниеотвода будет описываться законом полного тока 2πRH = i. Рассмотрим проводящую рамку (контур) длиной I и шириной d, расположенную в плоскости молниеотвода. Если ширина рамки достаточно мала, то можно пренебречь неоднородностью поля внутри рамки, а напряженность поля вдоль ее длины считать однородной. Тогда э.д.с., наведенная в рамке, по закону Фарадея:

(16.2)

где μ₀ = 4π 10^-7 Гн/м; μ= 1, S = Id - площадь рамки; di(t)/dt - скорость нарастания тока. Для максимального значения di(t)/dt = 280 кА/мкс при длине рамки I = 10м и ширине d = 10 см (S = 1 м ²) на расстоянии от молниеотвода R = 5м получим V_mах = 11 кВ.

Поскольку молнии с такими параметрами встречаются редко, для типового случая di(t)/dt = 20 кА/мкс получим V_max = 800 В.

На рис. 16.13 приведен один из наихудших случаев возникновения большой э.д.с. в кабеле промсети. Неэкранированная витая пара промсети проходит параллельно молниеотводу и шине заземления, образуя контур площадью S на расстоянии R от молниеотвода. Кабель имеет гальваническую развязку с 2-х сторон. Молния наводит в контуре э.д.с., равную сумме напряжений на емкостях устройств гальванической развязки V₁ + V₂ = V_K, величиной до 11 кВ при указанных исходных данных.

Известно, что форма тока в контуре совпадает с формой тока молнии (рис.16.7) и при максимальном токе молнии 200 кА максимальный ток в контуре составит 380 А. При диаметре провода 1мм омическое сопротивление контура составит 0.22 Ом и при э.д.с. в контуре 11 кВ ток к.з. был бы равен 50 кА при активном сопротивлении контура.

Если кабель экранирован и заземлен с 2-х сторон, то наведенный ток может расплавить провод заземления экрана. Если экран заземлен с одной стороны, то на 2-м его конце наводится напряжение относительно земли от 800В до 11 кВ.

Рис.16.14. Появление высоких напряжений на элементах гальванической развязки при ударе молнии

Такие напряжения и токи действительно возникают в зданиях, не имеющих в стенах металлической арматуры или других экранирующих поверхностей для защиты от магнитного поля молнии. Если здание выполнено из железобетона, то металлическая арматура в бетоне образует экранирующую сетку, которая, в зависимости от расстояния между прутьями и их толщины, а также наличия окон и дверных проемов, может ослабить магнитное поле в несколько раз.

Одним из способов уменьшения влияния разрядов молнии на кабели является отдаление молниеотвода от здания или кабелей от молниеотвода. В частности, если молния возникает на большом расстоянии от кабелей (например, между 2-мя облаками на высоте 300м), то в приведенной оценке ток и напряжение наводки будут примерно в 100 раз меньшими.

Несмотря на то что молниеотводы расположены вертикально, в металлических конструкциях зданий, в том числе в прутьях арматуры, наведенный ток проходит не только параллельно молниеотводу, но и перпендикулярно ему, создавая магнитное поле в контурах, расположенных не только вертикально, но и горизонтально.

Вторым следствием удара молнии в молниеотвод является повышение потенциала заземления молниеотвода и соединенного с ним заземления здания на несколько киловольт. Если при этом кабель соединяет интерфейсы систем передачи данных, расположенные в разных зданиях (рис.16.15), то напряжение между заземленными частями аппаратуры в разных зданиях может превысить напряжение пробоя изоляции элементов гальванической развязки интерфейсов V₁ + V₂ (рис.14.15). Например, при токе молнии 50 КА и сопротивлении заземления 0.2Ом, это напряжение достигнет 10 кВ, что достаточно для пробоя типовых модулей гальванической развязки.