Методы и средства защиты объектов электроэнергетики от молний

  Последующие зоны (Зона 2, и т.д.). Если требуется  дальнейшее снижение разрядных токов  или электромагнитного поля в  местах размещения чувствительного  оборудования, то необходимо проектировать  так называемые последующие зоны. Критерий для этих зон определяется соответственно общими требованиями по ограничению внешних воздействий, влияющих на защищаемую систему. Имеет  место общее правило, по которому с увеличением номера защитной зоны уменьшаются влияние электромагнитного  поля и грозового тока. На границах раздела отдельных зон необходимо обеспечить защитное последовательное соединение всех металлических частей, с обеспечением их периодического контроля.

  На  распределение энергии электромагнитных полей внутри объекта оказывают  влияние различные элементы строительных конструкции такие как: отверстия  или щели (например, окна, двери) обшивки  из листовой стали (водосточные трубы, карнизы), а также места ввода-вывода кабелей электропитания, связи и  других коммуникаций.

  На  рисунке 3 приведен пример разделения защищаемого объекта на несколько зон. Кабели электропитания, связи и другие металлические коммуникации должны входить в защитную Зону 1 в одной точке и своими экранными оболочками или металлическими частями подключаться к главной заземляющей шине на границе раздела Зон 0А- 0В и Зоны 1.

    Описанное выше разделение объекта  на условные зоны позволяет  на практике эффективно решать  вопросы защиты электропитающих  сетей до 1000 В, а также линий  связи, передачи данных, компьютерных  сетей и других коммуникаций, входящих в объект, с помощью  применения различного типа устройств  защиты от импульсных перенапряжений (или так называемой внутренней  системой молниезащиты). 

  Рис. 3. Разделение защищаемого объекта  на несколько зон. 

  Для гарантированной защиты объекта  от перенапряжений, возникающих при  стекании токов молнии на заземляющее  устройство или при «приходе»  волны перенапряжения по питающей сети (в случае далекого удара молнии), «Зоновой концепцией защиты предусмотрена  трехступенчатая схема включения защитных устройств.

  Согласно  требований данных стандартов, устройства защиты от перенапряжений, в зависимости  от места установки и способности  пропускать через себя различные  импульсные токи, делятся на следующие  классы: I, II, III (или B, C, D согласно немецкого стандарта E DIN VDE 0675-6 (1989-11). Основные требования к ограничителям перенапряжения разных классов приведены в таблице 2. 

  Таблица 2

  Исходя  из оценки риска прямого удара  молнии или наводок от удаленного разряда, необходимо выбрать тип  применяемых защитных устройств  и схему их установки. Необходимость  защиты от грозовых перенапряжений зависит  от:

  − Интенсивности ударов молнии в данном месте N_g (среднее годовое количество ударов молнии на 1 км 2 за год).

  − Также необходимо оценить уязвимость самой электроустановки. Например, подземные системы электропитания по вполне понятным причинам считаются  менее уязвимыми, чем воздушные.

  − Высокая стоимость оборудования, подключенного к защищаемой электроустановке, может стать важным критерием  для усложнения схемы защиты и  наоборот.

    Согласно определения, приведенного  в стандарте ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК  61643-1-98): «Устройство защиты от  перенапряжений (УЗИП) – это устройство, которое предназначено для ограничения  переходных перенапряжений и  для отвода импульсов тока. Это  устройство содержит, по крайне  мере, один нелинейный элемент». В качестве элементной базы  для создания УЗИП, как правило,  используют разрядники различных  типов и оксидно-цинковые варисторы.

  При выборе защитных устройств на разрядниках  или оксидно-цинковых варисторах необходимо обращать внимание на следующие параметры:

   1. Номинальное рабочее напряжение. (U_n) Это номинальное действующее напряжение сети, для работы в которой предназначено защитное устройство.

  2. Наибольшее длительно допустимое  рабочее напряжение защитного  устройства (максимальное рабочее  напряжение). (U_c) Это наибольшее действующее значение напряжения переменного тока, которое может быть длительно (в течение всего срока службы) приложено к выводам защитного устройства.

  3. Классификационное напряжение (Параметр  для варисторных ограничителей  перенапряжений). Это действующее  значение напряжения промышленной  частоты, которое прикладывается  к варисторному ограничителю  для получения классификационного  тока (обычно значение классификационного  тока принимается равным 1,0 мА).

  4. Импульсный ток. (I_imp) Этот ток определяется пиковым значением Ipeak испытательного импульса длительностью 10/350 мкс и зарядом Q. Применяется для испытаний защитных устройств класса I.

  5. Номинальный импульсный разрядный  ток. (I_n) Это пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, проходящего через защитное устройство. Ток данной величины защитное устройство может выдерживать многократно. Используется для испытания УЗИП класса II. При воздействии данного импульса определяется уровень защиты устройства. По этому параметру также производится координация других характеристик УЗИП, а также норм и методов его испытаний.

  6. Максимальный импульсный разрядный  ток. (I_max) Это пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, который защитное устройство может пропустить один раз и не выйти из строя. Используется для испытания УЗИП класса II.

  7. Сопровождающий ток. (I_f) (Параметр для УЗИП на базе разрядников). Это ток, который протекает через разрядник после окончания импульса перенапряжения и поддерживается самим источником тока, т.е. электроэнергетической системой. Фактически значение этого тока стремится к расчетному току короткого замыкания (в точке установки разрядника для данной конкретной электроустановки). Поэтому для установки в цепи «L-N; L-PE» нельзя применять газонаполненные (и другие) разрядники со значением I_f  равным 100 – 400 А. В результате длительного воздействия сопровождающего тока они будут повреждены и могут вызвать пожар! Для установки в данную цепь необходимо применять разрядники со значением I_f, превышающим расчетный ток короткого замыкания, т.е. желательно величиной от 2 – 3-х кА и выше.

  8. Уровень защиты.(U_p) Это максимальное значение падения напряжения на защитном устройстве при протекании через него импульсного тока разряда. Параметр характеризует способность устройства ограничивать появляющиеся на его клеммах перенапряжения. Обычно определяется при протекании номинального импульсного разрядного тока (I_n).

  9. Время срабатывания. Для оксидно-цинковых  варисторов его значение обычно  не превышает 25 нс. Для разрядников  разной конструкции время срабатывания  может находиться в пределах  от 100 наносекунд до нескольких  микросекунд.

  Существует  ряд других параметров, которые тоже учитываются при выборе устройств  защиты от перенапряжения: ток утечки (для варисторов), максимальная энергия, выделяемая на варисторе, ток срабатывания предохранителей (для защитных устройств  со встроенными предохранителями).

  Система внутренней молниезащиты для электропитающей  сети до 1000 В, состоящая из разного  типа устройств защиты от импульсных перенапряжений, должна быть способна осуществить отвод грозовых токов  или их большей части без повреждения  самих защитных устройств. Для определения  величины тока, проходящего через  УЗИП первой ступени защиты в случае прямого удара молнии в здание, защищённое системой внешней молниезащиты, рекомендуется исходить из конфигурации системы заземления и уравнивания  потенциалов здания, а также подведенных  к нему коммуникаций (трубопроводов, электропитающих кабелей, кабелей  связи и передачи информации и  др.). На рисунке 4 приводится классический пример распределения грозового тока в объекте, подвергнутом прямому удару молнии (МЭК 61024-1-1; МЭК 61643-12). 

  Рис. 4 Распределение токов молнии при  прямом ударе в объект

    Методика расчета токов растекания  приведена в ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК  61643-1-98), ПРИЛОЖЕНИЕ А.

  Для определения распределения токов  между металлическими элементами конструкции  здания при попадании молнии в  систему внешней молниезащиты, необходимо рассчитать сопротивления заземляющих устройств, трубопроводов, электропитающего ввода, ввода кабелей связи и т.п.

  В случаях, когда трудно осуществить  точный расчёт, осуществляется так  называемая квалифицированная оценка, исходящая из следующих рассуждений:

   - расчет производится для пикового  значения тока I_imp, взятого из таблицы 2.3 (Инструкции СО–153-34.21.122-2003) в соответствии с выбранным уровнем защиты от ПУМ. Например, для объектов с первым уровнем защиты I_imp = 200 kA (10/350 мкс)

  - 50% от общего тока I_imp = 200kA (10/350) → I_S1 = 100kA (10/350) отводится в землю через заземляющее устройство системы внешней молниезащиты;

  - 50% от общего тока I_imp = 200kA (10/350) → I_S2 = 100kA (10/350) разделится равномерно (приблизительно по 17%) между наружными вводами в объект, например, трех основных видов коммуникаций: кабелями связи и передачи информации, металлическими трубопроводами и проводами ввода электрического питания 220/380 В.

    Величина тока проходящего через  отдельные вводы обозначается  как I_i, при этом:

  I_i = I_S2/n, где n равняется числу вводов. Для оценки тока I_V в отдельных жилах неэкранированного кабеля, ток в кабеле делится на количество проводов m:

  I_V = I_i/m.

    Для правильного выбора типа  защитных устройств и их основных  параметров целесообразно руководствоваться  следующим правилом:

  Расчет  необходимо производить исходя из максимального  значения грозового тока I_imp (10/350 мкс) в зависимости от уровня защиты объекта от прямого удара молнии. Далее, определить (по приведенной выше методике) для каждого провода системы электропитания значение импульсного тока формы (10/350 мкс), который может в нем протекать и который должно гарантированно отвести защитное устройство класса I. После этого выбрать защитное устройство с некоторым запасом (20 – 30 %), учитывая возможную неравномерность растекания токов по различным проводникам.

  В случае изменения исходных данных, т.е. числа вводов в объект, типа системы  электропитания, количества проводов в кабеле и т.д., итоговые значения также могут существенно измениться. При этом изменения могут произойти  как в сторону уменьшения импульсных токов, так и в сторону их возрастания. В случае применения экранированных кабелей большая часть токов  растекается через экранные оболочки, что лишний раз подтверждает необходимость  применения данных кабелей на объектах с повышенными требованиями к  защищенности от удара молнии.

  Приведенные выше заключения истинны для объектов, оборудованных системой внешней  молниезащиты и имеющих кабельный  подземный ввод электропитания. Ситуация может серьезно усложниться в  случае наличия воздушного ввода  электропитания. Элементарный расчет показывает, что при прямом попадании  молнии с током I_imp = 200 kA (10/350 мкс) и при условии его равномерного распределения по четырем проводам системы TN-C, импульсные токи в каждом проводе будут иметь значения около 50 кА. Стекание этих токов на землю будет осуществляться в две стороны: через оборудование низковольтной стороны под станции и элементы электроустановки объекта в примерном соотношении 1:1. Таким образом, в каждом проводе на вводе электропитающей установки объекта мы будем иметь ток величиной 25 кА (10/350 мкс). Если предположить, что равномерного растекания токов по какой-то причине не произошло, то это значение может возрасти до 45-50 кА и более.