Оценка токов молнии в УЗИП
Аннотация
 
Расчет грозовых перенапряжений и выбор устройств защиты от них (УЗИП) без расчета доли тока молнии в электрической цепи. Тем не менее, столь вольный подход фактически узаконен в России. Остается понять, насколько обоснована рекомендация МЭК и в каких практически значимых ситуациях проектирование на ее основе может быть допустимым.
Организация
 
 
(Германия)
Авторы
 
Федоров А.И.
 
Расчет грозовых перенапряжений и выбор устройств защиты от них (УЗИП) без расчета доли тока молнии в электрической цепи – о таком трудно представить специалисту по молниезащите. Тем не менее, столь вольный подход фактически узаконен в России. Остается понять, насколько обоснована рекомендация МЭК и в каких практически значимых ситуациях проектирование на ее основе может быть допустимым.
Расчет грозовых перенапряжений и выбор устройств защиты от них (УЗИП) без расчета доли тока молнии в электрической цепи – о таком трудно представить специалисту по молниезащите. Тем не менее, столь вольный подход фактически узаконен в России. ГОСТ Р 51992-2011 вслед за стандартом Международной электротехнической комиссии IEC 61643:2005 предлагает проектировщикам на выбор либо определять распределение импульсного тока молнии по коммуникациям, исходя из их сопротивлений заземления при промышленной частоте, либо, совсем ничего не вычисляя, просто относить 50% тока к заземляющему устройству пораженного молнией объекта, а другие 50% распределять равными долями между его металлическими заземленными коммуникациями. Последняя операция некоторыми представителями европейских фирм, изготавливающих УЗИП, почему-то называется "квалифицированной оценкой". Ее итогом, в частности, является ничем не мотивированное заключение о вводе в провода воздушной линии 380/220 В всего 17% тока молнии – по 4,3 % в каждый из проводов. Для III уровня защиты, который предписывает ориентироваться на ток молнии 100 кА, это приводит к рекомендации использовать УЗИП, рассчитанные на импульсный ток 10/350 мкс амплитудой от 4,3 кА. Заключение более чем соблазнительное, поскольку столь низкие предельно допустимые импульсные токи выдерживаются относительно дешевой защитной аппаратурой на основе варисторов, не нуждающейся в искровых разрядниках с автоматическим гашением дуги сопровождающего тока. Остается понять, насколько обоснована рекомендация МЭК и в каких практически значимых ситуациях проектирование на ее основе может быть допустимым.

Начинать лучше с начала. Упомянутые выше отечественный ГОСТ Р и стандарт МЭК рекомендуют измерить или рассчитать сопротивления заземления всех без исключения имеющихся заземленных металлических коммуникаций объекта, чтобы затем распределить ток молнии по параллельным цепям обратно пропорционально их сопротивлениям. Для любого инженера, знакомого с методами расчета электрических цепей, предложение подобного рода покажется далеко не очевидным. Протяженные коммуникации в грунте могут обладать очень низким сопротивлением заземления в стационарном режиме, но их импульсные характеристики окажутся принципиально иными за счет распределенной индуктивности коммуникации. Вот, например, как меняется во времени входное сопротивление металлической трубы диаметром 50 мм, уложенной на глубину 0,7 м в грунт с удельным сопротивлением 100 Ом*м. Ее сопротивление заземления в стационарном режиме близко к 0,5 Ом. Согласно этой крайне низкой величине труба должна была бы отобрать на себя очень значительную долю тока молнии. На деле же в момент времени 10 мкс (время фронта тока молнии) импульсное сопротивление трубы еще не опустилось ниже 5 Ом и даже через 100 мкс оно в 2 раза больше своего стационарного значения (рис. 1).

Рис. 1 Изменение во времени входного сопротивления
металлической трубы Ø 50 мм на глубине 0,7 м в грунте
с удельным сопротивлением 100 Ом*м (кликабельно)

Надо ли говорить, насколько бессмысленна рекомендация рассчитывать импульсные токи в протяженных коммуникациях по их стационарным сопротивлениям заземления?

Теперь об отборе тока молнии несколькими коммуникациями при наличии у защищаемого объекта еще и локального заземляющего устройства. Здесь предписания ГОСТ вполне конкретны – в сосредоточенный заземлитель должно направиться 50% тока молнии. Каков же этот заземлитель в реальности? Требования к его сопротивлению заземления не указываются в национальных нормативных документах по молниезащите. Правда, в Инструкции РД 34.21.122-87 дается описание нескольких допустимых типовых конструкций. Одна из них (два вертикальных стержня длиной по 3 м, связанных такой же по длине горизонтальной полосой) при удельном сопротивлении грунта обладает сопротивлением заземления . Достаточно сравнить это значение с динамикой изменения сопротивления всего одной коммуникации на рис. 1, чтобы понять, что уже через 5 мкс в заземлителе никак не окажется предписанных 50% тока молнии. Он будет намного меньше.

А теперь учтем взаимодействие такого сосредоточенного заземлителя с ВЛ, полагая что все другие металлические коммуникации у защищаемого объекта отсутствуют. Допущение вполне возможное, поскольку система водоснабжения во все большей степени ориентируется на пластиковые полипропиленовые трубы, а средства связи – на оптоволоконные линии. Положим, что ВЛ 380/220 В имеет длину 200 м и потому согласно ПУЭ не предъявляет особых требований к сопротивлению заземления со стороны объекта (можно ориентироваться на типовой заземлитель молниезащиты), тогда как со стороны питающей ПС для схемы с глухо заземленной нейтралью оно должно быть не выше 4 Ом. Указанные значения заложены в компьютерный расчет, результаты которого для импульсного тока 10/350 мкс представлены на рис. 2.

Рис. 2 Токи молнии в различных коммуникациях
объекта в зависимости от времени. (кликабельно)

Как можно видеть, заземлитель объекта отбирает сколько-нибудь значимую долю тока молнии только в первые 15 – 25 мкс. Дальше с течением времени его нагрузка резко снижается. Так, в момент времени 100 мкс через УЗИП, защищающие провода ВЛ, в совокупности протечет к ПС более 70% тока молнии, т.е. по 17,5% в каждом проводе. При столь серьезном расхождении результатов с 4,3% по "квалифицированной оценке" трудно всерьез говорить о ее достоверности. Нужно заметить, что расчетные данные на рис. 2 характеризуют ВЛ традиционного исполнения на деревянных незаземленных опорах. В случае применения железобетонных опор доля тока в проводах ВЛ увеличится, а постоянная времени его роста сократится из-за их естественного сопротивления заземления.

Полагаю, читатель не сомневается, что в реальных условиях может возникнуть ситуация, когда доля тока молнии, ответвившегося в провода ВЛ, окажется и существенно меньше той, что дает "квалифицированная оценка". Правда, для заказчика это менее значимо, ибо затратив лишние средства на молниезащиту, он все-таки обеспечит нужную ему надежность.

Может сложиться впечатление, что использование УЗИП более низкой пропускной способности по току молнии, чем требуется, не так уж рискованно. Разрушение варистора не происходит мгновенно. Не исключена ситуация, когда он успеет ограничить перенапряжения от тока первого компонента молнии, а далее сработает автоматический размыкатель, в роли которого может, например, выступить правильно подобранный плавкий предохранитель. Он отключит поврежденное УЗИП от сети и сохранит электроснабжение объекта. Число прямых ударов в объект очень невелико и у обслуживающего персонала наверняка найдется время для замены разрушенного УЗИП.

Жаль, что нарисованная картина далека от реальности. На деле около 70-80% молний многокомпонентны. Примерно 50% последующих компонентов повторяют траекторию первого. Это значит, что приблизительно через 60-70 мс (средняя пауза между компонентами) ток молнии будет повторно воздействовать на оборудование теперь уже ничем не защищенной электрической цепи. Последствия такого воздействия наверняка будут фатальными.

Читатель вряд ли удовлетворится статьей, если не найдет в ней практических рекомендаций для проектирования. Боюсь, что его не вполне устроит совет использовать вместо "квалифицированной оценки" нормальный расчет переходного процесса в электрических цепях. Для этой цели может не оказаться полного набора исходных данных. Остается два сколько-нибудь приемлемых подхода. Во-первых, можно разделить ток молнии обратно пропорционально сопротивлению заземления объекта RЗ.об и сопротивлению заземления RЗ.ПС питающей его подстанции. Полученная таким образом доля тока молнии в каждом из проводов

даст надежную оценку сверху. Выбранное по этому току УЗИП заведомо окажется работоспособным. Ну а вторая ситуация может быть рекомендована лишь при полном отсутствии исходных данных для проектирования. Тогда не остается ничего, кроме просмотра каталогов фирм-изготовителей и выбора УЗИП, наиболее подходящего по соотношению цена-качество. Скорее всего это будет прибор на основе искрового разрядника. В качестве примера можно указать на приборы фирмы DEHN + SÖHNE, выпускающей широкий ассортимент УЗИП самого различного назначения, в т.ч. и УЗИП повышенной пропускной способности на основе искровых разрядников с автоматическим гашением дуги сопровождающего тока. Предлагаются УЗИП стандартного исполнения DEHNventil M и в комплекте со встроенным предохранителем DEHNven CI. Их примеры можно увидеть на рис. 3. При использовании таких устройств удается обеспечить высочайшую надежность защиты вместе с непрерывностью электроснабжения потребителей.

Рис. 3 Примеры УЗИП на основе искровых разрядников с автоматическим гашением дуги сопровождающего тока из каталога фирмы DEHN+SÖHNE.

Bottom Logo

Портал ЭлеЭкспо – это информационное интернет-издание в области электротехники, электроэнергетики и автоматизации.

Основная задача Портала — это оперативное информирование о новинках, которые были или только будут представлены на крупнейших российских и зарубежных электротехнических выставках.

Follow Us:

Контакты:
  • Телефон, e-mail:

    +7 921 7871 350, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Bottom Logo