Системы молниезащиты

Системы молниезащиты служат для защиты объектов как от прямого удара молнии, та ки при при её ударе на близком расстоянии. Потому что в конструкции или в электрических сетях энергообъекта возникают опасные импульсные перенапряжения огромной мощности, представляющие собой опасность как для первичного электрооборудования, так и для вторичных цепей и микропроцессорной аппаратуры. Максимальные токи, при этом, могут достигать десятков и даже сотен ампер. Поэтому для обеспечения должного уровня защиты подстанций и других объектов требуется проведение ряда технических мероприятий. К числу наиболее важных относится:

Проектирование и монтаж системы внешней молниезащиты

Установка надёжных заземляющих устройств, обеспечивающих гарантированный отвод грозовых разрядов. Экранирование оборудования и всех линий связанных с ним от воздействия электромагнитных наводок и полей, возникающих при молниевом разряде в металлические конструкции объекта или при отводе грозового разряда по элементам системы молниезащиты. Обустройство системы уравнивания потенциалов на энергообъекте за счёт присоединения всех металлических элементов и других частей оборудования к главной заземляющей шине (ГЗШ).

Размещение, при необходимости, устройств защиты от воздействия импульсных перенапряжений. В некоторых случаях требуется создание защиты для внутренних линий, соединяющих между собой различное оборудование. Учитывая изложенное выше, для комплексного решения проблемы защиты энергообъектов от воздействия импульсных грозовых перенапряжений необходимо выполнить все вышеперечисленные мероприятия. Этот подход отражён в современной концепции защиты энергообъектов на основе создания зон молниезащиты, изложенной в новых стандарте МЭК 62305, которые заменят действующие стандарты МЭК 61312 и 61024.

Согласно актуальным стандартам МЭК зоны молниезащиты устанавливаются с учётом либо прямого попадания молнии, либо её воздействия косвенным образом:

• Зона 0А защищает внешнюю среду энергообъекта, подверженную непосредственному действию прямого молниевого разряда с последующим влиянием электромагнитных полей грозового происхождения.
• Зона 0B включает часть внешней среды энергообъекта, где отсутствует угроза прямого попадания удара молнии, но в этой зоне может отмечаться влияние электромагнитного поля, возникшего в зоне 0А.

Зона 1 относится к части внутренней среды энергообъекта, которая защищена от прямого попадания молнии. Импульсные токи перенапряжения и электромагнитные поля в зоне 1 имеют значительно меньшую величину, в отличие от зон 0А и 0B. Зоны 2, 3 и т.д. используются для размещения электронного оборудования, чувствительного к воздействию импульсных разрядных токов и сильных электромагнитных полей. В этих зонах достигается значительное снижение электромагнитных помех и обеспечивается надёжная защита от любых импульсных перенапряжений.

Технические критерии для данных зон устанавливаются на основе общих требований к уровню внешних воздействий. По общему правилу, при увеличении номера зоны достигается заметное снижение силы грозового тока и электромагнитного поля. Между смежными зонами обеспечивается защищённое соединение металлических токопроводящих частей. Различные конструкционные элементы энергообъекта (окна, двери, водосточные трубы, места подключения коммуникаций и др.) оказывают влияние на распределение остаточной энергии электромагнитных полей. На Рис. 1 показаны типовые зоны молниезащиты защищаемого энергообъекта.

Рис. 1. Зоны молниезащиты

Заходы в зону 1 информационных и силовых кабелей, а также прочих электропроводящих коммуникаций выполняется в одной точке. Металлические части и экранированные оболочки должны подключаться к ГШМ (главной заземляющей шине) энергообъекта между зонами 0А(0B) и зоной 1. Благодаря разделению внешнего и внутреннего пространства энергообъекта на условные защитные зоны можно при помощи создания внутренней системы молниезащиты решить проблему защиты электропитающих сетей напряжением < 1000 В, а также других инженерно-технических коммуникаций (линий связи; линий для передачи данных; локальных вычислительных и компьютерных сетей и прочих коммуникаций).

Создание эффективной системы для внешней молниезащиты обеспечивает должную защиту энергообъекта и благодаря формированию искусственных путей для отвода токов грозового разряда к ЗУ позволяет:

• Исключить прямое попадание молнии.
• Уменьшить импульсные перенапряжения.
• Предотвратить искрение и уменьшить вероятность возникновения пожара.

Для создания системы внешней молниезащиты энергообъекта можно использовать практические рекомендации, изложенные в следующих нормативных и руководящих документах:

1. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений (РД 34.21.122-87).
2. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций (СО-153-34.21.122-2003).

Оба документа могут использоваться для решения практических задач при проектировании, строительстве и модернизации различных энергообъектов.

Для полноценной защиты антенно-фидерных устройств, располагающихся на высотных мачтах и вышках, следует точно рассчитывать зоны защиты, которые образуются за счет совокупности металлических конструкций данных антенно-мачтовых сооружений. Также следует помнить о том, что высотные сооружения (свыше 60 м) в отношении молний могут себя вести иначе, чем более низкие энергообъекты. Например, на практике зафиксированы удары молний в Останкинскую телебашню как на значительной высоте (более 250 м), так и у самого основания телевизионной башни.

Так как отдельные энергообъекты имеют АМС высотой до 300 м, необходимо учитывать возможное поведения грозовых разрядов для каждого конкретного случая. Приведенный пример с Останкинской телебашней наглядно свидетельствует о том, что для создание надёжной системы молниезащиты оборудования, установленного на крыше объекта, от прямого попадания молнии, недостаточно высокой мачты, находящейся вблизи. В этом случае для определения зон защиты мачты нельзя использовать стандартные формулы для практического расчёта зон защиты молниеприемника стержневого типа. Но если применять метод фиктивной сферы, рассмотренный в «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» (СО-153-34.21.122-2003) можно более точно определить зоны молниезащиты для любого энергообъекта.

Рис. 2. Метод фиктивной сферы

На Рис. 2 представлен классический пример использования метода фиктивной сферы по отношению к произвольному энергообъекту, в состав которого входит комплекс антенных сооружений, а также строений технического назначения. В точках соприкасания сфер с частями энергообъекта при разных уровнях защиты возможны удары молний. Взаимосвязь между радиусом сфер и уровнями защиты энергообъекта рассмотрена в «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» (СО-153-34.21.122-2003.). При расчёте по методу фиктивной сферы получаются гораздо меньшие зоны защиты для стандартных молниеприёмников с высотой свыше 60 метров.

Также данный метод хорошо объясняет случаи удара молнии сбоку в антенно-мачтовые сооружения энергообъекта. При расположении оборудования непосредственно на крыше здания, в обязательном порядке следует учитывать зоны молниезащиты, которые образуются элементами конструкции здания и элементами системы внешней молниезащиты.

При установке АМС в других местах (на козырьке крыши, на пристроенном здании и т.д.) может возникнуть необходимость для модернизации системы внешней молниезащиты с целью образования новой зоны молниезащиты для оборудования связи (Рис.3). При отсутствии должного опыта следует избегать подобных мест для установки антенно-мачтовых сооружений или привлекать организации, предоставляющие услуги по созданию систем молниезащиты.

Рис.3. Дополнительные зоны защиты

Заземляющее устройство, входящее в общую систему молниезащиты, используется для отвода в заземляющее устройство токов перенапряжения и импульсных токов, которые возникают в случае прямого попадания молнии или при молниевом разряде в близлежащие конструкции. Для уравнивания потенциалов заземляющее устройство соединенное с системой молниезащиты должно быть связано посредством электрического соединения с заземляющим устройством энергообъекта.

Небольшое сопротивление заземляющего устройства обеспечивает уменьшенное значение разности потенциалов на главной заземляющей шине энергообъекта в момент попадания молнии и снижение значений амплитуд токов импульсного перенапряжения в силовых и слаботочных цепях, а также на электрических входах оборудования.

Благодаря правильному экранированию помещений энергообъекта, в которых находится оборудование и проложены силовые кабеля, можно снизить до минимальных величин силу и напряжение импульсных токов, возникающих под воздействием мощных электромагнитных полей.

Кроме того, необходимость экранирования помещений, оборудования и линий связи энергообъекта возникает в следующих случаях:

• Низкие экранирующие свойства отдельных строительных конструкций, изготовленных из дерева, кирпича и других материалов.
• При наличии внутри энергообъекта источников значительных электромагнитных полей, ухудшающих электромагнитную обстановку на объекте.
• При близком расположении с другими кабелями и инженерными коммуникациями, имеющими выход в зоны молниезащиты 0А и 0B.

На каждом энергообъекте должна быть установлена система уравнивания потенциалов, которая предназначается для обеспечения электробезопасности обслуживающего персонала при возникновении КЗ на металлический корпус оборудования, при растекании токов грозового разряда при прямом ударе молнии в энергообъект или для защиты от опасных напряжений и токов, которые возникают при повреждении входящих электрических линий и коммуникаций.

Важнейшие требования к системе по уравниванию потенциалов приведены в ГОСТ Р 50571 и в ПУЭ (глава 1.7). Кроме того, система уравнивания потенциалов защает персонал энергообъекта и чувствительную электронную аппаратуру при возникновении перенапряжений в самом оборудовании. На практике доказано, что если в отдельно взятой системе обеспечивается достижение равенства потенциалов между различными элементами (например, между корпусами оборудования и силовыми кабелями), тогда можно исключить вероятность возникновения перенапряжений, способных повредить изоляцию проводников и появление в этой системе токов уравнивания потенциалов.

Для снижения вероятности повреждения и выхода из строя электронного оборудования связи в случае прямого попадания молнии в антенно-мачтовые сооружения или при ударах молнии на близком расстоянии необходимо выполнить следующие защитные мероприятия:

• На этапе проектирования и монтажа системы молниезащиты АМС энергообъекта соблюдать требования стандартов и учитывать индивидуальные особенности данного энергообъекта.
• Обеспечить постоянное электрическое соединение заземляющего проводника молниезащиты с заземляющим устройством ЭПУ энергообъекта (для выравнивания потенциалов).
• Заземлить экранные оболочки высокочастотных коаксиальных кабелей на металлические части мачты (токоотвод системы заземления молниезащиты) в следующих точках:

1. Рядом с антенным устройством.
2. В местах изгиба кабеля на угол свыше 90о.
3. В местах входа кабеля в энергообъект контейнерного типа.
4. В местах ввода в помещение станции высокочастотных коаксиальных кабелей установить УЗИП на разрядниках.

На рис. 4 показан случай прямого удара молнии в АМС с импульсом амплитуды 10/350 мкс и соотношение токов растекания.

Рис. 4. Возможный вариант распределения импульсных токов при прямом ударе молнии в антенно-мачтовые сооружения защищаемого энергообъекта

Методика, по которой производится расчёт токов растекания, представлена в ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98). Для установления характера распределения импульсных токов между металлическими конструкциями энергообъекта при попадании грозового разряда в АМС, следует произвести расчёт сопротивления заземляющих устройств, металлических трубопроводов, ввода кабелей связи, ввода электрического питания и др.

При сложностях с проведением точных расчётов, выполняется приближённая оценка, основанная на максимальном значении тока Iimp (Инструкция СО-153-34.21.122-2003, Таблица 2.3 ) при заданном уровне защиты энергообъекта от прямых ударов молнии:

Для объектов с 1-м уровнем защиты Iimp составляет 200 кА.
Половина от общего тока 1imp = 200 кА (10/350) равняется IS1 = 100 kA (10/350). Отводится в грунт через систему заземления внешней молниезащиты.
Другая половина от общего тока Iimp = 200кА (10/350) составляет IS2 = 100 kA (10/350). Равномерно распределяется между наружными вводами в энергообъект.

Значение тока Ii, протекающего через отдельные вводы, определяется по формуле:

Здесь n – количество вводов.
Для расчета силы тока IV в отдельных жилах кабеля без экранированной оболочки, величина тока в кабеле делится на число проводов (m):

Чтобы выбрать надёжное защитное устройство с оптимальными техническими параметрами, следует соблюдать следующие правила:

• Для проведения расчетов применяется наибольшее значение импульсного тока от грозового разряда (10/350 мкс) в зависимости от уровня защиты энергообъекта при прямом ударе молнии.
• Для каждого питающего электрического провода определяется значение импульсного тока (форма амплитуды 10/350 мкс), который может протекать в этом проводе и который гарантированно отводится защитным устройством I класса.

Выбор конкретного защитного устройства производится с небольшим запасом (около 20...30 %), чтобы заранее учесть неравномерное растекание токов перенапряжения по отдельным проводникам.

При изменении исходных данных (количество вводов, тип системы электроснабжения, число проводов в кабеле и др.), результирующие значения могут измениться существенным образом, что часто приводит к снижению или увеличению значений импульсных токов. При использовании кабелей с экранами значительная часть токов отводится через экранированные оболочки, что в очередной раз доказывает необходимость использования защищенных кабелей на энергообъектах, где требуется особая защита от грозовых разрядов. Сказанное выше имеет непосредственное отношение к энергообъектам, имеющим подземный ввод кабельного электропитания и систему внешней молниезащиты.

Если на объекте применяется ввод электропитания по воздушной линии последствия могут стать критическими. Простыми расчетами доказывается, что в случае прямого молниевого разряда, может возникнуть импульсный ток Iимп = 200 кА (с формой импульса - 10/350 мкс). При равномерном распределении тока по всем 4 проводам системы ТN-С, в каждом проводнике будут протекать импульсные токи порядка 50 кА. Отвод этих токов в грунт будет проходить в соотношении 1 к 1 через:

• Низковольтное оборудование электрической подстанции.
• Элементы ЭПУ энергообъекта.

Таким образом, на вводе ЭПУ в энергообъект в каждом проводе возникнет ток порядка 25 кА (10/350 мкс). В неблагоприятном случае, когда не происходит равномерное растекание токов, максимальное значение Iimp в отдельном проводнике может составить 50 кА и выше.

Современные защитные устройства на основе варисторов, установленные в первой ступени, позволяют обеспечить должную защиту при воздействии тока перенапряжения Iимп силой 20 кА (10/350 мкс), что во многих случаях является вполне достаточным (включая варианты с воздушным вводом электрической линии для электроснабжения энергообъекта). Если предъявляются белее высокие требования к стойкости УЗИП к амплитудам грозовых токов, то следует использовать разрядники искрового типа (Iимп = 50...100 кА с амплитудой10/350 мкс).

В процессе подбора искрового разрядника необходимо акцентировать внимание на величину сопровождающего тока If (важнейший технический параметр УЗИП на основе разрядников искрового типа). Сопровождающий ток протекает через искровой разрядник после окончания импульса перенапряжения. Этот ток поддерживается системой питания энергообъекта. Фактическая величина данного тока всегда стремится к расчётному значению току короткого замыкания.

Поэтому в цепях типа «L-N» или «L-РЕ» не следует устанавливать разрядники, у которых If = 100 ...400 А. При продолжительном воздействии сопровождающего тока подобные устройства будут повреждены, что может вызвать возгорание. Для установки в рассматриваемую цепь следует использовать разрядники, обладающие If > 2 000 А (с запасом превышающие возможное значение тока КЗ).

Комплексная защита линейных сооружений связи от воздействия импульсных перенапряжений достаточно дорогостоящая процедура. Однако простои линий связи, обусловленные неисправностями и повреждениями, обходятся гораздо дороже. Ремонт подземного кабеля может занять несколько суток, а в неблагоприятный период это время значительно возрастает. Повреждения кабелей могут происходить при прямом попадании молнии в кабель или в грунт, опоры ЛЭИ, АМС или в деревья, расположенные вблизи от подземной трассы.

Как правило, критическое расстояние составляет 10...15 метров. Между тем зафиксирован случай, когда удар молнии в АМС на расстоянии 70 метров от места прокладки кабеля вызвал его повреждение. При ударе молнии в район расположения трассы подземного кабеля возникают пробои грунта до внешней металлической оболочки кабеля. При интенсивном воздействии импульсными токами значительной силы возможны серьёзные повреждения кабеля. В области входа тока молнии могут возникнуть вмятины различной формы на алюминиевой или свинцовой оболочке кабеля, расплавление и разрыв бронированного слоя, обугливание изоляции и др.

Вследствие возникновения значительной разности потенциалов между жилами кабеля и экранированной оболочкой, могут возникнуть следующие виды повреждений:

• Пробои или расплавление защитной изоляции с внешней стороны.
• Обрывы или короткое замыкание кабельных жил.
• Оплавление защитной оболочки с внутренней стороны.

Такие виды повреждений встречаются чаще всего и могут возникнуть даже на расстоянии десяти километров от места прямого удара молнии. Аналогичные повреждения могут быть вызваны высотными грозовыми разрядами, нередко возникающими между облаками. При этом в оболочках и жилах кабелей образуются мощные индукционные токи.

Масштаб и характер повреждений на кабеле положенном в земле:

1. Грозовой активности в данном регионе.
2. Типа кабеля и его способности сопротивляться воздействию грозовых разрядов.
3. Геологического строения грунта
4. Удельного сопротивления грунта
5. Особенностей рельефа местности и наличия высоких предметов рядом с трассой подземного кабеля.

Интенсивность грозовой деятельности характеризуется, прежде всего, по удельной плотности прямых ударов молнии в землю в заданном районе. Для расчетов применяется эквивалентная полоса с кабелем в середине: ширина этой полосы составляет в среднем 30 метров. Степень грозостойкости подземного кабеля определяется соотношением наибольшего тока импульсного перенапряжения на жиле кабеля к сопротивлению металлической оболочки кабеля в Омах на длине в 1 км (кА/км).

Поражаемость подземного кабеля зависит от свойств грунта, в котором проложена трасса кабеля. Грунты имеющие высокое удельное сопротивление, вечная мерзлота и слоистые грунты неблагоприятным образом сказываются на способности подземного кабеля сопротивляться воздействию импульсных перенапряжений. Исходя из геологического строения крайне нежелательны для прокладки кабеля районы, где имеются разломы тектонических плит и содержатся горные породы различного типа. В этих районах отмечается максимальная плотность наземных разрядов.

Уменьшить вероятность повреждения и выхода из строя подземных линий связи от прямых ударов молнии можно за счёт:

• Прокладки специальных кабелей, обладающих высокой проводимостью внешней оболочки.
• Параллельной укладки в земле рядом с подземными кабелями медных, стальных или биметаллических проводов, торсов и шин с оцинкованным покрытием.
• Действующей ВЛС, расположенной параллельно подземному кабелю и снабжённой искровыми разрядниками с выносными заземляющими устройствами.
• Специальных разрядных устройств, размещённых между отдельными жилами и оболочкой в муфтах.

Проблема выхода из строя регенераторов при воздействии на них грозовых разрядов молний и электромагнитных наводок при операциях коммутации в сетях линий электропередач не теряет своей актуальности. Устранение повреждений сложных устройств отнимает внушительные трудовые и материальные ресурсы, что в конечном итоге приводит к значительным финансовым издержкам.

Для обеспечения стабильной и безотказной работы регенераторов при воздействии импульсных перенапряжений следует выполнить ряд мероприятий в рамках зоновой концепции защиты, в числе которых обязательно входит:

• Установка специализированных защитных устройств.
• Грамотный монтаж заземления внутри защищаемого энергообъекта.
• Используемые защитные устройства могут иметь одно- или многокаскадную схему защиты. Для 1-го каскада используются классические 3-х электродные металлокерамические газовые разрядники; 2-ой и следующие каскады предусматривают применение варисторов или полупроводниковых элементов (стабилитроны, супрессорные диоды и др.).

Исходя из сложившейся практики, полноценная защита регенераторов, при соблюдении требований по их монтажу, обеспечивает обычная 1-каскадная схема, так как стойкость оборудования к воздействию электромагнитных помех выше, чем стойкость элементов 2-го каскада. Поэтому 2-х каскадные схемы чаще всего применяются для защиты сложной электронной аппаратуры, особо чувствительной к импульсным перенапряжениям.

Чтобы решить проблему по защите оборудования связи от импульсных перенапряжений и паразитных токов требуется комплексный подход, обеспечивающий сохранность и работоспособность всех элементов телефонной аппаратуры и оборудования связи.

1. Мероприятия по защите абонентских линий и оборудования АТС

Защита абонентских комплексов АТС выполняется за счёт установки кроссовых защитных устройств, которые подразделяются на следующие типы:

• Защита по напряжению. Используется на абонентских линиях, подверженных воздействию грозовых разрядов и линий электропередач. Конструктивное исполнение данных линий исключает попадание на них сетевого напряжения.
• Защита по току. Выполняется на абонентских линиях, где возможно попадание на линию сетевого напряжения. В виду особенностей прокладки такие линии практически не подвержены воздействию грозовых разрядов и ЛЭП.
• Комплексная защита. Данный вид защиты используется для абонентских линий, которые могут подвернуться воздействию электрических токов значительной силы и высокого напряжения.

Конструкция кроссовой защиты зависит от применяемого типа рамок или плинтов кроссовых устройств. Элементная база кросса определяется способом прокладки абонентской линии связи (воздушная или кабельная) и типом автоматической телефонной станции (электронная или электромеханическая). При необходимости в установке кроссовой защиты АТС следует получить консультации у профессионалов.

Отдельного упоминания заслуживает вариант, при котором часть защиты выносится за пределы кросса. Данный вариант целесообразен при наличии ВЛС (воздушных линий связи) и смешанных абонентских линий связи. На последней опоре линии связи воздушного типа размещается устройство кабельное соединительное (УКС). Данное устройство используется для соединения между собой кабельных и воздушных линий связи. Также в этом устройстве размещаются защитные устройства, которые обеспечивают защиту УКС от пробоев в системе кабелей и предотвращают выход из строя распределительных шкафов при попадании в них импульсных токов перенапряжения от ВЛС.

2. Использование АЗУ (абонентских защитных устройств)

Абонентские защитные устройства препятствуют заносу высокого сетевого напряжения от абонента непосредственно в телефонную сеть и далее на оборудование АТС.