Третий вебинар из серии "Заземление и молниезащита: вопросы и проблемы, возникающие при проектировании"

Текст вебинара. Страница 2

Быстрая навигация по слайдам:

 

Помехообразующий ток идёт по экрану

Помехообразующий ток идёт по экрану

 

Есть ещё один момент, с экранами есть два варианта. Первый вариант вот какой: ток молнии идёт прямо по экрану. Типичная ситуация, представьте себе - башня. На башне стоят габаритные огни. Вы подводите к габаритным огням питание и это питание вы делаете экранированным кабелем. Ситуация здесь вот какая: если у вас кабель имеет оболочку металлическую, кругового сечения, то у вас перенапряжение действует только между изоляцией кабеля и жилы. Но между парой жил, которое подводят напряжение, например, к люстрам освещение, у вас будет тождественно равно нулю. И по той причине идеальной является именно экран кругового сечения. Очень часто проектировщики закладывают кабели в короба, скажем прямоугольные, в прямоугольном коробе у вас никогда не будет нуля. Если вы возьмете короб в виде какого-то некругового сечения, например, в виде того самого эллипсоида вращение, которое здесь внизу показано. У вас между жилами, которые находятся в плоской части эллипсоида и (у меня эта жила № 2) и жилой № 1, которая находится у острой части эллипсоида, будет вполне конкретное перенапряжение. Но если этого эллипсоидальный экран начать приближать к круговому, напряжение любой пары жил очень сильно ослабляется. И по этой причине идеальным экраном является экран круговой.

Помехообразующий ток идёт вне экрана

Помехообразующий ток идёт вне экрана

 

Теперь второй вариант - это ток идёт не по металлическому экрану, а металлический экран просто является просто экранировкой. В этом случае экранирующий эффект очень зависит от того, что у вас экранирует. Если у вас экран сделан из медной оплетки, алюминиевой ленты, стальной ленты, как это показано на графике справа, то в этом случае у вас кратность ослабления наводки электромагнитной находится где-то между 50 и 20, то есть в 20 - 50 раз ослабляется наводка. Но если в виде экрана у вас выступает арматура металлическая железобетонной конструкции или даже просто здание сделано из кирпича, у вас все-равно магнитное поле экранируется примерно в 3 - 10 раз. И эта экранировка оказывается очень существенная и благодаря этой экранировке электромагнитные наводки во внутреннем объеме здания достаточно существенно снижаются. И это снижение обязательно нужно принимать во внимание, когда смотрите, что за наводки у вас будут и стоит ли не стоит применять УЗИПы.

Принцип действия УЗИП

Принцип действия УЗИП

 

Если всё это исчерпано, всё. Все возможности выбраны. И всё-равно наводки у вас выше тех, которые сейчас вам нужны. Если всё выбрано, то вы действительно ставите УЗИП. Какая задача стоит перед УЗИПом? Задача элементарная. УЗИП шунтирует цепь на входе той аппаратуры, которую вам надо защищать. И таким образом электромагнитная наводка не попадает в нагрузки, она замыкается через УЗИП. В виде УЗИПов в принципе можно использовать что хотите. Можно использовать пассивный фильтр, можно использовать быстродействующее реле, можно использовать какой-то электронный блок, но как правило используются два элемента. Это нелинейный элемент на основе оксида цинка, как правило или искровой разрядник. Теперь какие требования надо предъявлять к этому самому элементу? На рисунке внизу я нарисовал простенькое устройство, которое нужно с единственной целью: если перенапряжение возникло один раз, мне надо защитить элемент. Как я его могу защитить? Смотрите, я взял включил два импульсных диода, которые заперты, если напряжение ниже их пробоя, а если напряжение превысило пробой, диоды пробьются, сгорят, но защитят элемент. Элемент, который надо защитить, они погибнут сами, но защитят.

 
Элемент, который надо защищать, перестанет работать, и такая защита никого не устраивает. Поэтому защитное устройство, которое можно применять в реальных цепях, должно делать следующую вещь: во-первых, оно должно снижать перенапряжение ниже того уровня, которая выдержит изоляция, защищаемой цепи. Это раз. Во-вторых, это снижение должно произойти быстро, потому что напряжение, которое возбуждает молния, нарастает за несколько десятков, может быть, сотен нано секунд и защитное устройство должно успеть сработать. Наконец тот элемент, который вы засунули в эту электрическую цепь, должно не изменить технологических функций этой электрической цепи. Например, если вы засадите высокочастотную цепь в устройство с большой поразительной емкостью, у вас частотная характеристика устройства просто очень сильно изменится и от вашей защиты не будет никакого толка, потому что цепь не будет работать, её частотные характеристики изменится. Наконец, это устройство должно восстановить электрическую цепь после того, как перенапряжение кончится и погасить этот сопровождающий ток, если этот сопровождающий ток мог бы течь по короткозамкнутой цепи. Все эти вещи вместе, они и представляют те требования, которые используются сегодня в УЗИПах.

 

Физическая основа

Физическая основа

 

Я ещё раз повторю, что как правило, сегодня используются два варианта УЗИПов: УЗИП на основе варисторов, который имеет характеристику вольтамперного, которая показана слева и искровой промежуток, который имеет характеристику, которая показана справа. И то и другое устройство может работать и подготовлено три класса этих устройств, которые выпускаются промышленностью. Первый класс этого устройства рассчитан на пропускание полного тока молнии, он ставится на входах в электрическую цепь. Испытывается полным импульсом тока молнии 10 * 350 микросекунд. И эти устройства являются наиболее мощными, наиболее дорогими. И единственный недостаток, который у этих устройств есть, он следующий: пропуская достаточно большой ток, это устройство на своих зажимах удерживает все-таки приличное напряжение. Напряжение где-то примерно на уровне 4 кВ. И это напряжение в 4 кВ - это слишком высокое напряжение на электрической цепи зданий, сооружений, потому что изоляция внутренних цепей, как правило, больше 2,5 кВ не выдержит. Второй класс устройств, он тоже рассчитан на пропускание тока молнии, он частичного тока молнии с одной стороны и электромагнитную наводку с другой. Испытывается это устройство, как правило, импульсом не 10 * 350, а импульсом 8* 20. И предназначено это устройство для защиты там, где полный ток молнии протекать не может. Наконец, есть класс третий, который ставится, как правило, не посредственно на входе, защищаемой аппаратуры.

 

 

Зоны защиты электрических и электронных систем от вторичных воздействий молнии

Зоны защиты электрических и электронных систем от вторичных воздействий молнии

 

Теперь я перехожу к тому, что мне абсолютно не понятно. Когда говорят о применении УЗИПов, говорят, что нужно использовать зонную теорию применения УЗИПов. В нормативных документах МЭКа, а теперь и в нормативных документах российских, существует несколько зон, отличающихся по воздействию молнии. Первая, нулевая зона, где объект никак не защищен от молнии. Вторая зона, где он защищен от молнии, но не защищен полностью от ее тока и магнитного поля. Наконец, третья зона, где он частично защищен. Зона единицы, где он частично защищен от магнитного поля, а дальше может быть зона 2, а дальше может быть зона 3, а дальше может быть зона 4. И все эти зоны по мере того, как увеличивается ее номер, характеризуется ослаблением электрического поля. И когда я читаю, у меня возникает такой вопрос: а для чего мне это? зачем мне нужны эти зоны? Мне то, что надо делать? Мне надо сделать следующую вещь: у меня стоит устройство, я знаю какое импульсное напряжение может выдержать это устройство. Мне эту цифру дал в паспорте завод - изготовитель.

Выбор УЗИП для конкретной электрической цепи

Выбор УЗИП для конкретной электрической цепи

 

Дальше. Зная место, где стоит это устройство, я могу рассчитать какое напряжение может возникнуть в цепи этого устройства. И эту наводку я могу сосчитать. Мне не нужно знать в какой зоне находится это устройство, мне это не важно, мне важна геометрия, по которой я могу сосчитать. Третье - я могу рассчитать какая часть тока молнии попадет в защитное устройство, УЗИП, если я его поставлю. Это я тоже могу рассчитать и для этого мне зонная теория не нужна. Наконец, я могу определить, а могу ли я этот УЗИП, который я предполагаю использовать поместить в электрическую цепь? Совпадает ли он с ней частотными характеристиками? Совпадёт ли он по надежности своего корпуса? Совпадает ли он по каким-нибудь другим технологическим функциям? И для этого мне зоны тоже не нужны. И когда я это всё сосчитал, я беру каталоги разных фирм и начинаю искать, какие устройства подходят под мои требования? Если подходит какое-нибудь одно устройство, я поставлю одно. Если одним устройствам я обойтись не могу, я могу последовательно поставить ряд устройств.

Основные параметры УЗИП

Основные параметры УЗИП

 

И те параметры УЗИП, которые мне нужны для этого выбора, я их выписал сейчас здесь. Они позволяют, вообще говоря, мне рассчитать и определить какой УЗИП мне нужен, не используя никакую эту самую зонную теорию. Для чего она нужна? Я ей Богу не понимаю.

Номинальное импульсное выдерживаемое напряжение для различных категорий перенапряжений

Номинальное импульсное выдерживаемое напряжение для различных категорий перенапряжений

 

Теперь дальше. Дальше, что у меня есть? УЗИПы, класса 1, 2, 3 имеют на своих зажимах напряжение для первого класса где-то на уровне 4 кВ, для второго класса где-то 1,5 - 2,5 кВ. И наконец, для третьего класса, напряжение может быть ниже 1 кВ. Изоляция низковольтная тоже делится по категориям. Там тоже есть четыре категории. Внешняя изоляция - это, примерно, 6 кВ. Следующий класс изоляции - 4 кВ. 2,5, потом 1,5, а само устройство может иметь и более низкое, выдерживая напряжение. И мне надо привести в соответствие, те УЗИПы, которые я ставлю, с той электрической прочностью изоляции, которую мне предстоит защищать. Эту операцию мне надо проделать и для этой цели мне и нужны характеристики УЗИПов.

Перечень параметров для выбора устройств защиты от импульсных перенапряжений

Перечень параметров для выбора устройств защиты от импульсных перенапряжений

 

Теперь, что говорит практика? Практика говорит вот какую вещь: практика говорит, то, что такое расчёт. И это совершенно очевидно. Нужно начинать с того, чтобы понять: а какой ток должен течь через ваш УЗИП, когда вы его ставите? В этой задаче, в общем электротехнической сталкиваются интересы разных фирм, которые выпускают УЗИПы.

Расчет импульсного тока молнии через УЗИПы

Расчет импульсного тока молнии через УЗИПы

 

Дело в том, что каждая фирма старается оправдать свою продукцию. Она говорит, например, я выпускаю УЗИПы, которые не могут выдержать ток, скажем больше 5 кА. И не надо, потому что ток больше 5 кА реально в УЗИП никак не попадет. Другая фирма говорит: ничего подобного, ребята! В УЗИП может попасть очень значительная часть тока молнии, например, 20 % тока. И поэтому УЗИПы надо брать только мощные, а мощные УЗИПы выпускаю я. И борьба этих самых фирм, она вдруг превращается, выражается в разную методику расчёта тока, который через УЗИП протекает. Я вам, не называя, конечно фирм, я вам приведу два примера. Первый пример - ток молнии ударил в токоприемник, который стоит на защищаемом здании. Пусть это будет чей-то коттедж. Что говорит фирма, которая хочет минимизировать ток? Она говорит, что ток потечет по токоотводам, потом ток попадет в заземлитель здания, как минимум по двум токоотводам. Но у этого здания есть, кроме этого, электрическая цепь линия электропередач, которая имеет 4 провода - 3 фазных и ноль. Кроме того, у этой линии есть водопровод с металлической трубой. Кроме того, у этого дома есть подвод газа. Кроме того, у этого дома есть подвод телефона. И этот ток распределится между всеми этими линиями, причем он распределится так, что каждая такая отдельная система коммуникаций берет на себя примерно одинаковый ток. То если я возьму, например, линию - раз коммуникация, водопровод - два коммуникация, телефонная сеть - три коммуникация, заземлитель собственного дома - четыре коммуникация, тогда у меня ток распределится на четыре части. В каждую часть, примерно, 1/4. Но, а дальше надо учесть, что проводов то у меня 4, значит в каждом проводе ток будет течь где-нибудь меньше 5% от полного тока молнии. И значит, УЗИП, который мне надо ставить, он будет, (если я буду ориентироваться примерно на 100 кА - ток молнии - а это расчётный ток для третьего уровня защиты), то у меня где-нибудь 5 кА всего потечёт через УЗИП. УЗИП сильный мне не надо - это одна сторона дела. Теперь вторая сторона дела. Другая фирма говорит следующую вещь: к дому подходит линия электропередач? Подходит. В линию электропередач может ударить молния? Может. Сколько проводов у линии? Четыре. Значит, по каждому проводу потечёт 1/4 часть тока. И сколько надо? Надо 25 кА, 25, а не 5. Что выбирать?

 

 

Проблема параллельной работы УЗИП

Проблема параллельной работы УЗИП

 

Теперь следующий момент, который очень важен. Если у вас к дому подходит воздушная линия и эта воздушная линия поражается молнией, то можно не сомневаться, что в любом случае УЗИП первого класса, который нужно поставить, на своих зажимах будет иметь напряжение 4 кВ или побольше даже, который совершенно недостаточно для того, чтобы защитить электрическую цепь и аппаратуру дома. Поэтому вам придется делать составную молниезащиту, ставить последовательно УЗИПы 1 класса, УЗИП 2 класса, а потом на защищаемой аппаратуре можно установить и УЗИП 3 класса для того, чтобы снизить напряжения с входных 4кВ до, примерно, там 1кВ, которая выдержит изоляция вашего электронного прибора, который стоит в доме. И такая схема включения УЗИПов, которая здесь показана наверху, она требует вот какой вещи: она требует селективной работы УЗИПов. Нужно обязательно, чтобы первым сработал входной УЗИП, а последним, тот УЗИП, который стоит перед аппаратурой. Что надо делать? Для этого рекомендуется задержать импульс, который распространяется вдоль электрической цепи. Такая задержка может быть сделана двумя способами. Первый способ - это сделать проводку достаточно длину, скажем длинной по 10 м, и тогда у вас импульс будет распространяться с запаздыванием. Либо, если такую проводку сделать нельзя, поставить сосредоточенную индуктивность, которая такую задержку реализует. Это написано во всех руководствах и во многих каталогах даже сказано какой длины должен быть этот самый проводник или какой величины должна быть индуктивность. Здесь никаких сомнений нет и все это легко делается. Но вот какая вещь, понимаете, вот вы обеспечили такую селективную работу. У вас действительно сначала пробивается первый УЗИП, потом второй, потом третий и все в порядке. Теперь они работают все три параллельно. А что получается дальше? Не может ли получится такая вещь, чтобы время этой работы при снижении тока молнии, у вас характеристика УЗИПов, скажем третьего, окажется меньше с входным сопротивлением, чем УЗИПа первого. Такая вещь реально возможна. И особенно она реально возможна, когда у вас УЗИПы сделаны на основе варисторов. У варистора очень крутая характеристика. Его ток зависит от напряжения в степени в несколько десятков, в 20 -60. Поэтому сделать стабильной такую характеристику УЗИПа очень трудно. И в результате этой вещи, вполне реальна ситуация, когда на спаде импульса тока молнии, у вас более благоприятным оказывается путь тока через УЗИП класса 3. УЗИП класса 3 начинает нагреваться и выходить из строя.

 

 

 

<< Предыдущая страница
слайды с 1 по 10

Следующая страница >>
слайды с 22 по 25 + блок вопросов и ответов


Полезные материалы для проектировщиков:


Смотрите также: