1 стр. из 1

В последние годы наблюдается заметное увеличение грозовой активности на всей планете в целом, что обусловлено, по всей видимости, изменением климата. Естественно, что это, наряду с усложнением конструкции и повышением степени интеграции оборудования связи и электропитания, приводит к необходимости решения ряда вопросов, связанных с проблемой защиты от импульсных токов и перенапряжений.

Основными техническими мероприятиями в области защиты от импульсных перенапряжений, возникающих между различными элементами и составными частями изделия или объекта в целом, при прямом или близком ударе молнии являются:
 -  создание системы внешней молниезащиты;
 -  создание качественного заземляющего устройства для отвода на него импульсных токов молнии;
 -  экранирование оборудования и линий, входящих в него, от воздействия электромагнитных полей, возникающих при протекании токов молнии по металлическим элементам системы молниезащиты, строительным металлоконструкциям и другим проводникам при близком размещении оборудования к ним;
 -  создание системы уравнивания потенциалов внутри объекта путем присоединения к главной заземляющей шине (ГЗШ) с помощью потенциалоуравнивающих проводников всех металлических элементов и частей оборудования (за исключением токоведущих и сигнальных проводников);
 -  установка на всех линиях, входящих в объект (или отдельно размещенное оборудование), устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП), с целью уравнивания потенциалов токоведущих или сигнальных проводников относительно заземленных элементов и конструкций объекта. Иногда может понадобиться защита и внутренних линий, соединяющих различное оборудование, например, шины постоянного тока на выходе выпрямителя и т. д.
 
Из вышесказанного следует, что проблема защиты от импульсных грозовых перенапряжений может быть решена только комплексным путем, при условии выполнения всех перечисленных технических мероприятий. Такой подход дает зоновая концепция защиты, изложенная в стандартах МЭК серии 62305. Данная серия стандартов приходит на смену стандартам МЭК 61024 и 61312.

Стандарты МЭК определяют зоны молниезащиты с точки зрения прямого и непрямого воздействия молнии:
Зона 0А: зона внешней среды объекта, все точки которой могут подвергаться воздействию прямого удара молнии (иметь непосредственный контакт с каналом молнии) и возникающего при этом электромагнитного поля.
Зона 0В: зона внешней среды объекта, точки которой не подвергаются воздействию прямого удара молнии (ПУМ), так как находятся в пространстве, защищенном системой внешней молниезащиты. Однако в данной зоне имеется воздействие неослабленного электромагнитного поля.

Зона 1: Внутренняя зона объекта, точки которой не подвергаются воздействию прямого удара молнии. В этой зоне токи во всех токопроводящих частях имеют значительно меньшее значение по сравнению с зонами 0А и 0В. Электромагнитное поле также снижено по сравнению с зонами 0А и 0В за счет экранирующих свойств строительных конструкций.
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 общим требованиям по ограничению внешних воздействий, влияющих на защищаемую систему. Имеет место общее правило, по которому с увеличением номера защитной зоны уменьшается 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 конструкций, 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 рис. 1 приводится 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 1 000 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).

Система внешней молниезащиты

Система внешней молниезащиты важна с точки зрения защиты объекта от прямого попадания молнии, уменьшения амплитудного значения токов растекания по его металлическим конструкциям, корпусам установленного внутри оборудования и подключенным к ним кабельным линиям, а также для предотвращения искрения и возможности возникновения пожара. Достигается это за счет создания путей отвода токов молнии к заземляющему устройству по специально проложенным токоотводам. Система внешней молниезащиты может быть выполнена в соответствии с рекомендациями «Инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений», РД 34.21.122-87 или «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций», СО–153-34.21.122-2003. Обе инструкции носят рекомендательный характер и до выхода соответствующего технического регламента могут быть использованы при решении задач проектирования и строительства объектов разного назначения. Для решения вопросов молниезащиты радиообъектов необходимо также руководствоваться требованиями ВСН-1-93 «Молниезащита радиообъектов».

С точки зрения защиты антенно-фидерных устройств, размещенных на мачтах и вышках, необходимо учитывать зоны защиты, образуемые металлическими конструкциями этих АМС. Но всегда необходимо помнить и о том, что сооружения высотой более 60 м могут себя вести в отношении молнии несколько иначе, чем низкие объекты. В книге Э. М. Базеляна «Физика молнии и молниезащиты» [1] приводится фотография молнии, попавшей в Останкинскую телевизионную башню на отметке чуть выше 250 м. Также был зафиксирован удар молнии возле самого основания телебашни. Многие объекты связи имеют антенно-мачтовые сооружения высотой до 300 м. Приведенный выше пример очень наглядно показывает, что вопрос защиты от прямого удара молнии оборудования, установленного, например, на крыше технического здания при наличии рядом высокой мачты, не решается так просто, как кажется на первый взгляд. Зона защиты такой мачты не может быть определена по формулам для расчета зоны защиты штыревого молниеприемника. Более реальную картину можно получить при помощи метода фиктивной сферы, который описан в «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций», СО–153-34.21.122-2003 и некоторых книгах по молниезащите (например, в сборнике) [2].

На рис. 2 показан пример применения метода фиктивной сферы к произвольному объекту, состоящему из двух АМС и технических зданий. Поверхности касания сфер различных радиусов с элементами объекта указывают места, открытые для поражения молнией при различных уровнях защиты. Взаимосвязь уровней защиты и радиуса сферы определена в «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций», СО–153-34.21.122-2003. Как видно из приведенных рисунков, метод фиктивной сферы дает существенно меньшие зоны защиты для молниеприемников высотой более 60–100 м и объясняет боковые удары молнии в АМС.

При размещении оборудования связи непосредственно на крыше технического здания также необходимо учитывать зоны защиты, создаваемые его строительными элементами и имеющимися элементами внешней системы молниезащиты. В некоторых случаях (установка антенн на козырьке крыши или на пристройке к зданию и т. п.) может появиться необходимость в доработке системы молниезащиты с целью создания дополнительной зоны защиты оборудования связи (рис. 3). Но сразу стоит сказать, что при отсутствии определенного опыта в проектировании систем молниезащиты подобных вариантов размещения стоит избегать или обращаться за помощью в специализированные организации.

Наличие заземляющего устройства молниезащиты

Заземляющее устройство системы молниезащиты предназначено для отвода токов молнии в землю и должно иметь прямую электрическую связь с защитным заземляющим устройством электро-установки (с целью уравнивания потенциалов). При этом, чем более низкое сопротивление будет иметь заземляющее устройство, тем ниже будет значение потенциала на главной заземляющей шине (ГЗШ) объекта при ударе молнии, что, соответственно, уменьшит амплитудные значения перенапряжений в силовых и сигнальных цепях и на входах оборудования.

Экранирование помещений, оборудования и линий

Экранирование помещений объекта связи, установленного в них оборудования, электропитающих и сигнальных кабелей позволяет минимизировать значения токов и напряжений, которые могут быть индуцированы в них при воздействии сильных электромагнитных полей. Часто случается, что необходимость экранировки возникает и внутри объекта, при плохих экранирующих свойствах строительных конструкций (дерево, кирпич), при сложной электромагнитной обстановке внутри объекта (наличие источников сильных электромагнитных полей), при близкой прокладке с посторонними кабелями и коммуникациями, имеющими выход за пределы здания в зоны молниезащиты 0А или 0В [3, 4] и т. п.

Создание системы уравнивания потенциалов

Система уравнивания потенциалов на любом объекте важна, прежде всего, с точки зрения обеспечения электробезопасности персонала при коротких замыканиях в оборудовании на корпус, а также при растекании токов молнии в случае прямого удара в объект или при заносе опасных токов и напряжений через входящие линии и коммуникации. Основные требования к этой системе определены ПУЭ главой 1.7 и ГОСТ Р 50571. Система уравнивания потенциалов необходима с точки зрения защиты от перенапряжений самого оборудования. Хорошо известно, что если в некоторой системе удается достигнуть равенства потенциалов между ее различными элементами (корпусами оборудования, электропитающими и сигнальными проводниками), то перенапряжений, способных вызвать пробой изолирующих материалов, а соответственно и поражения оборудования, в такой системе не будет.

Применение устройств защиты от импульсных перенапряжений для защиты электропитающих установок

Выбор той или иной схемы защиты для объекта связи будет зависеть в основном от его конфигурации, наличия АМС, их высоты и типа электропитающих линий (воздушные или подземные кабельные).
Для объектов связи, имеющих высокие антенно-мачтовые сооружения (АМС) или воздушный ввод электропитания сети 220/380 В,рекомендуется применение как минимум двухступенчатой схемы защиты от перенапряжений (с применением УЗИП первого и второго класса согласно ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98) «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Часть 1. Требования к работоспособности и методы испытаний».
1) В качестве первой ступени защиты рекомендуется устанавливать:
 -  в цепях L-N — однофазные разрядники, способные пропускать через себя импульсные токи прямого удара молнии (формы 10/350 мкс) с амплитудным значением не менее 50 кА, обеспечивающие уровень защиты (Up) менее 4 кВ, и способные самостоятельно гасить дугу при сопровождающих токах не менее 4 кА;
 -  в цепях N-PE разрядники, способные пропускать через себя импульсные токи формы 10/350 мкс с амплитудным значением до 120 кА и гасить сопровождающие токи величиной до 300 А, а также обеспечивающие уровень защиты (Up) менее 2 кВ. Эти разрядники не используются в случае схем электропитания TN-C.
2) В качестве второй ступени защиты рекомендуется устанавливать:
 -  в цепях L-N — однофазные (трехфазные) варисторные защитные устройства с максимальным импульсным током 30–40 кА формы 8/20 мкс и уровнем защиты (Up) менее 1,5 кВ;
 -  в цепях N-PE разрядники второго класса защиты, способные пропускать максимальные импульсные токи с амплитудным значением до 50 кА (8/20 мкс) и имеющие уровень защиты (Up) менее 1, 5 кВ. В сетях типа TN-C эти разрядники не устанавливаются.
Схемы включения устройств защиты для электропитающих сетей TN-C-S и TN-S приведены на рис. 4–6.
При установке защитных устройств необходимо, чтобы расстояние между соседними ступенями защиты было не менее 10 м по кабелю электропитания. Выполнение этого требования очень важно для правильной работы (координации срабатывания) защитных устройств. В случае размещения устройств первой и второй ступеней на более близком расстоянии или в одном щите необходимо использовать согласующее устройство в виде импульсного разделительного дросселя.

Для объектов с кабельным подземным вводом электрического питания возможно применение комбинированных варисторных УЗИП, которые по своим входным параметрам соответствуют требованиям к защитным устройствам первого класса (способность отводить импульс тока величиной 10–25 кА; формы 10/350 мкс). По своим выходным параметрам (уровень защиты (Up) 1300–1700 В при номинальном импульсном токе формы 8/20 мкс) они выполняют требования ко второму классу защиты.

Применение подобных устройств позволяет отказаться от использования разделительных дросселей. Пример установки комбинированных УЗИП для объекта, имеющего два ввода электропитания, приведен на рис. 6. Применение такой защиты может дать экономию затрат до 30–40% от случая применения отдельных ступеней защиты с разделительными дросселями. Однако в случае установки подобных устройств на воздушном вводе электропитания существует вероятность выхода их из строя при ударе молнии непосредственно в провода ЛЭП вблизи от объекта.

Продолжение в следующем номере

 Литература:
1. Э. М. Базелян, Ю. П. Райзер. Физика молнии и молниезащиты. —М.: Физматлит, 2001.
2. И. П. Кужекин, В. П. Ларионов, Е. Н. Прохоров. Молния и молниезащита. — М.: Знак, 2003.
3. Стандарты МЭК серии IEC-62305.
4. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. СО–153-34.21.122-2003.
5. ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98) «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Часть 1. Требования к работоспособности и методы испытаний».
6. ГОСТ Р 50571.26-2002 «Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Раздел 534. Устройства для защиты от импульсных перенапряжений».
7. «Молниезащита радиообъектов» ВСН-1-93.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!