Грозовой разряд и коммутационная операция как источник помех Ниже описано, как использовать грозовой разряд и выключатель в качестве источника помех.1 Атмосферное перенапряжениеКак источник помех молния воздействует на здания и внутреннее электрооборудование и системы.Электрические выбросы, возникающие в атмосфере, почти всегда являются результатом прямых/соседних ударов молнии или отдаленных ударов молнии. При прямом ударе молнии молния попадает непосредственно в защищаемое здание; Однако в случае соседних ударов молнии удары молнии по протяженным системам или трубопроводам (таким как трубы, линии передачи данных или линии электропередач), непосредственно подключенным к защищаемой системе. Воздушные линии молний являются примерами удаленных ударов молнии. Молнии между облаками создают «отраженные скачки» (бегущие волны) вдоль линии электропередачи, а молнии в окрестностях вызывают перенапряжение. 1.1 Прямые удары молнии и соседние удары молнииВоздействие тока молнии на провода молниеотвода и системы молниезащиты: (а) вызывать падение напряжения на ударном сопротивлении заземления системы заземления; (b) Индукция импульсного напряжения и тока в петле, образованной проводами внутри здания. Из-за падения напряжения на ударном сопротивлении заземления ток молнии также отводится через линию электропередачи, подключенную в качестве меры эквипотенциального соединения молниезащиты.В частности, из-за излучения магнитных помех от ударов молнии удары молнии в окружающем пространстве вызывают перенапряжения и токи в контуре устройства. Если молния попадает в воздушную линию электроснабжения, на входной линии электроснабжения возникают перенапряжения и токи. Межоблачные молнии также вызывают скачки напряжения и токи в линиях электропередач и других крупных проводных системах из-за излучения электромагнитных помех.Если точный анализ невозможен или слишком дорог, частичный ток молнии в линии электропередач от пораженного здания можно оценить в соответствии с IEC 61312-1 и DIN VDE 0185, часть 103. Предположим, что 50 % тока молнии протекает в системы заземления здания и 50 % равномерно распределяется в дальней системе заземления (например, трубы, источники питания и линии связи). Для простоты предполагается, что ток молнии равномерно распределяется по проводникам (например, L1, L2, L3 и PEN силового кабеля или четырем жилам кабеля передачи данных) в каждой системе питания.В приложении C стандарта DIN V ENV 61024-1 (VDE V 0185, часть 100) приведен метод оценки частичного тока молнии, отводимого через вводную линию (в случае систем молниезащиты). Соответственно, ток молнии будет распределяться по системе заземления, внешнему проводнику и вводной линии (подключенной напрямую или подключенной через разрядник) следующим образом:Ток молнии, разделяемый каждым внешним проводником и проводником, зависит от количества внешних проводников и проводников, их эквивалентного сопротивления заземления и эквивалентного сопротивления заземления системы заземления.Если проводники, используемые в электрической или информационной системе, не экранированы или помещены в металлические трубы, то ток, разделяемый этими проводниками, равен It/n', где n' — общее количество проводников в электрической или информационной системе.1.1.1. Падение напряжения на сопротивлении ударного заземленияМаксимальное падение напряжения uE на ударном сопротивлении заземления Rst пораженного здания рассчитывается как максимальное i тока молнии.Это падение напряжения uE не опасно для защищаемой системы, если эффективно установлено эквипотенциальное соединение для защиты от молнии. В настоящее время как отечественные, так и международные стандарты молниезащиты требуют выполнения интегрированного эквипотенциального соединения. В системе с искусственным эквипотенциальным подключением все провода (входящие или исходящие) подключаются к системе заземления либо напрямую, либо через искровые разрядники или устройства защиты от перенапряжения. Во время удара молнии uE всей системы увеличится в потенциале, но внутри системы не будет опасной разности потенциалов.1.1.2 Наведенное напряжение в металлическом кольцеМаксимальная скорость нарастания тока молнии (Δi/Δt, действующая в течение времени Δt) определяет пиковое значение электромагнитного наведенного напряжения во всех разомкнутых или замкнутых контурах устройства вокруг токонесущего проводника тока молнии.При проектировании системы молниезащиты может быть использовано максимальное значение I/T 1 средней скорости нарастания заданного напора тока волны (действующее в пределах времени нарастания волны T1).При оценке максимального индуцированного напряжения прямоугольной формы U в петле устройства (например, в здании) предполагается, что петля находится вблизи подводящей линии бесконечно длинного тока молнии.Напряжение прямоугольной формы может быть оценено для прямоугольного кольца, состоящего из бесконечной длины токонесущих молниеотводов и проводов оборудования (например, защитный провод электрического устройства, подключенный к вводу системы молниезащиты при эквипотенциальном соединении бар).Для квадратного кольца, состоящего из проводов оборудования, изолированных бесконечно длинным проводником тока молнии, можно найти прямоугольное напряжение.Помимо индукционного эффекта в большом металлическом кольце, вызванного расположением оборудования, следует отметить также индукционное воздействие на длинное и узкое кольцо неэкранированного многожильного многожильного кабеля, составленного из параллельных проводов вблизи токонесущих проводов тока молнии. Индуцированное напряжение между линиями называется «поперечным напряжением». Это напряжение особенно опасно для электронных устройств. Прямоугольное напряжение можно найти для узкой петли проводов, состоящей из проводников линии оборудования, параллельных токоведущим проводникам бесконечного тока молнии.Прямоугольное напряжение длинного проволочного каркаса, состоящего из проводов оборудования, перпендикулярных бесконечно длинному проводу, несущему ток молнии, на определенном расстоянии.В отличие от высоких значений напряжения в большом кольце, в длинном узком кольце индуцированное напряжение составляет всего около 100 В. Но помните, что это боковое напряжение на линии информационной системы, которое составляет всего 1-10 В при нормальной работе и подключено к чувствительной к перенапряжению электронике. В многожильных линиях, особенно в линиях с электромагнитным экранированием, индуцированное прямоугольное напряжение значительно меньше значения, рассчитанного по приведенной выше формуле, и поперечное напряжение такой амплитуды обычно не представляет опасности.Если металлическое кольцо закорочено или его изоляция пробита индуцированным напряжением прямоугольной формы U, в кольце возникает индуцированный ток i, значение которого можно рассчитать.Поскольку ток молнии нарастает очень быстро, вблизи канала молнии или проводника с током будет генерироваться быстро меняющееся магнитное поле. Магнитное поле в здании создает импульсное напряжение до 10,00В в широкой «индукционной петле», образованной такими инженерными коммуникациями, как проводка силовых и информационных систем, водопроводные и газовые трубы.Например, компьютер, подключенный к системе питания и данных. После входа в здание дата-кабель подключается к шине уравнивания потенциалов, а затем кабель проходит через разъем кабеля данных в компьютер. Кабель питания также подключается к шине уравнивания потенциалов через разрядник, который подает питание на компьютер через электрическую розетку. Поскольку шнур питания и кабель для передачи данных устанавливаются независимо друг от друга, они могут образовывать индукционное кольцо площадью около 100 м2. Открытый конец кольца находится в компьютере, и импульсное напряжение, создаваемое магнитной индукцией в кольце, прикладывается к открытому концу. Не только в случае прямых ударов молнии, но и в случае соседних ударов молнии кольцо может быть наведено перенапряжением, достаточным для того, чтобы вызвать поломку оборудования, а иногда даже возгорание.Компьютер должен быть защищен от этих грозовых перенапряжений «на месте», то есть либо на самом устройстве, либо непосредственно на розетках питания и данных (раздел 5.8.2.3).1.2 Удаленные удары молнииВ случае удаленных ударов молнии бегущая волна распространяется вдоль дороги или молния ударяет вблизи защищаемой системы, тем самым воздействуя на электромагнитное поле защищаемой системы.Опасности атмосферного перенапряжения в 1890-х годах показали, что электронные устройства остаются чувствительными к индуцированным или кондуктивным перенапряжениям и токам на расстоянии до 2 км от точки удара молнии (раздел 2.1). Эта широко распространенная опасность связана с растущей чувствительностью высокотехнологичного оборудования, подключенного к кабелям, проходящим за пределами зданий, и растущим использованием чувствительных сетей.По мере развития технологий максимально допустимая длина линий передачи данных, соединяющих устройства, быстро увеличивалась. Например, интерфейс V2.4/V2.8 (использовавшийся на заре EDP) утверждает, что электрические характеристики линейных драйверов допускают прямое кабельное соединение длиной до 15 м. Доступные линейные драйверы и интерфейсы позволяют напрямую подключать двухжильные многожильные кабели длиной до 1000 м.При протекании тока молнии в кабеле будут генерироваться продольные и поперечные напряжения. Продольное напряжение u1, возникающее между жильным проводом и металлическим экраном кабеля, приложено к изоляции между входным концом подключаемого устройства и заземленным корпусом. Между проводами возникает поперечное напряжение uq, оказывающее давление на входную цепь подключенного устройства. Если ток молнии i2 известен, то продольное напряжение можно рассчитать по импедансу связи R кабеля.1.3 Соединение импульсного тока в сигнальной линииВ следующем примере показано, как импульсный ток связан с сигнальными линиями расширенной системы посредством резистивной, индуктивной или емкостной связи. Например, рассмотрим расположение устройства 1 в здании 1 и устройства 2 в здании 2. Два устройства соединены сигнальными кабелями. Кроме того, предполагается, что оба устройства подключены к эквипотенциальной шине (PAS) в соответствующих зданиях с помощью защитного провода заземления (PE).1.3.1 Резистивная связьМолния ударяет в здание 1, создавая разность потенциалов около 100 кВ на сопротивлении заземления RA1. Напряжения этой амплитуды достаточно, чтобы сократить изоляционное расстояние между устройствами 1 и 2, чтобы импульсный ток резистивной перекрёстной связи протекал от PAS1 через Device 1 по сигнальной линии к устройствам 2, PAS2 и RA2. Амплитуда импульсного тока, пик которого составляет несколько кА, зависит от относительных значений сопротивления RA1 и RA2 в омах.1.3.2 Перцептивная связьКак упоминалось ранее, напряжение в металлическом кольце индуцируется за счет индуктивного поля канала молнии или проводника с током молнии.Например, два основных сигнальных кабеля между устройствами 1 и 2 образуют индукционное кольцо. Если молния ударит в здание 1, внутри кольца будет наведено поперечное напряжение в несколько тысяч вольт, создающее связанный ток до нескольких тысяч ампер. Эти индуцированные напряжения и токи подаются на вход или выход устройства.Еще один пример эмоциональной связи, которая может возникнуть. Сигнальная линия образует индукционное кольцо с землей. Если молния ударяет в здание 1, в кольце индуцируется очень высокое напряжение (около 10 кВ), что приводит к пробою изоляции оборудования 1 и оборудования 2, создавая токи связи в тысячи ампер.1.3.3 Емкостная связьЕсли молния ударит в землю или в молниеотвод, канал молнии или молниеотвод поднимется до очень высокого напряжения (около 100 кВ по сравнению с его окружением) из-за разности потенциалов на сопротивлении заземляющего электрода RA. Сигнальная линия между устройствами 1 и 2 емкостно связана с этим молниеотводом или приемником. Конденсатор связи заряжается, в результате чего «инжекционный» ток (около 10 А) проходит через изолированный поток устройств 1 и 2.1.4 Амплитуда атмосферного перенапряженияДалекий удар молнии первоначально вызывает скачок напряжения около 10 кВ, производя относительно небольшой числовой ток. Но прямой удар молнии имеет гораздо больший ток с гораздо большей амплитудой: 200 кА тока (класс защиты I) и пики в сотни киловольт.Низковольтное оборудование обычно может выдержать только ударное напряжение пробоя в тысячи вольт, поэтому оно уязвимо для десятков тысяч вольт от удаленных ударов молнии или перенапряжения 100 кВ от прямых ударов молнии и даже может быть повреждено. Некоторые электронные устройства могут работать при напряжении до 10 В. Поэтому величина напряжения, вызванного атмосферным разрядом, в 100–10 000 раз превышает допустимое напряжение низковольтной системы, содержащей электронное оборудование.Следовательно, эти высокоамплитудные перенапряжения должны быть снижены с помощью защитных мер или устройств защиты от перенапряжения до значений, значительно ниже допустимого импульсного напряжения пробоя/импульсного напряжения пробоя. Для надежной защиты, даже в случае прямого удара молнии, устройство защиты от перенапряжения должно быть в состоянии высвободить высокий уровень тока молнии без повреждения.2 Включите защиту от перенапряжения.Рабочее перенапряжение также может повлиять на низковольтные и вторичные системы, особенно при наличии емкостной связи. В некоторых случаях значение этого рабочего перенапряжения может превышать 15 кВ. Причины этих рабочих перенапряжений следующие:(a) Отключите линии электропередач без нагрузки (или конденсаторы). При включенном выключателе изменение мгновенного значения напряжения питания вызывает большую разность потенциалов между системой и линией реза. Эта разность потенциалов, нарастающая за миллисекунды, может вызвать повторное зажигание между контактами выключателя, как если бы контакты снова были замкнуты. При этом линейное напряжение равняется мгновенному значению напряжения питания, и дуга между переключающими контактами гаснет. Этот процесс можно повторять много раз. Этот процесс, при котором линейное напряжение становится равным мгновенному значению определенного напряжения питания, создает рабочее перенапряжение, характеризующееся затухающими колебаниями порядка нескольких сотен килогерц. Начальная амплитуда этого рабочего перенапряжения связана с разностью потенциалов между контактами выключателя в момент повторного включения и может в несколько раз превышать номинальное напряжение питания.(b) Отключите трансформатор без нагрузки. Если трансформатор без нагрузки удаляется из сети, энергия магнитного поля загружается в его собственную емкость. Цепь индуктивность-емкость затем колеблется до тех пор, пока вся энергия не преобразуется в тепло через сопротивление в цепи, что приводит к амплитуде рабочего перенапряжения, в несколько раз превышающей номинальное напряжение питания.(c) Замыкание на землю в незаземленной сети. Если замыкание на землю произойдет во внешней линии незаземленной сети, потенциал земли всей системы изменится из-за изменения напряжения заземляющей фазы. Если дуга замыкания на землю гаснет, эффект аналогичен отключению линии или конденсатора без нагрузки: создается рабочее перенапряжение с ослабленными ударами.В дополнение к вышеуказанным характеристикам перенапряжений, действующих в сети, влияющих на низковольтные системы посредством емкостной связи, быстрые изменения тока также могут вызывать выбросы напряжения в низковольтных системах посредством индуктивной связи. Это внезапное изменение тока может быть вызвано большой коммутационной нагрузкой или может быть вызвано коротким замыканием, замыканием на землю или повторяющимся замыканием на землю.Рабочее перенапряжение также может возникать в самой системе низкого напряжения по следующим причинам:• Отключите катушки индуктивности, включенные параллельно источнику питания, такие как катушки или дроссели трансформаторов, контакторы и реле (в этом случае создается рабочее перенапряжение аналогично вышеописанному случаю отключения силовых трансформаторов без нагрузки).• Удалите катушки индуктивности в последовательных плечах токовой петли, такие как петля проводов, последовательная катушка индуктивности или сама катушка индуктивности (ток на катушке индуктивности не может изменяться при отключении цепи, и амплитуда результирующего рабочего перенапряжения зависит по текущему значению на момент отключения).• Преднамеренное размыкание цепи выключателем, или непреднамеренное срабатывание предохранителя или автоматического выключателя, или непреднамеренное перерезание провода до естественного перехода тока через ноль (такие отключения приводят к резкому изменению тока, приводящему к рабочему перенапряжению). , обычно затухающие и колеблющиеся, с амплитудой, в несколько раз превышающей нормальное напряжение системы).• Цепь управления фазой, реверсивный эффект системы щеточных коллекторов, внезапная разгрузка двигателя и трансформатора и т. д.Многочисленные измерения на различных слаботочных сетях показали, что наиболее заметные перенапряжения вызываются мешающим излучением электрической дуги, образующейся в выключателе.Электромагнитные помехи от работы энергосистемы обычно возникают чаще, чем грозовые.Для широкополосных кондуктивных помех импульсы высокой энергии и импульсы низкой энергии или различные типы импульсов переключения обрабатываются в стандартах ЭМС по-разному. Коммутационные помехи могут создаваться вне здания, через линии электропередач или внутри здания. Эти два вида помех можно рассматривать либо как комбинацию помех от импульсных перенапряжений и помех от импульсных токов, как в случае помех от грозовых разрядов, либо как приложенные импульсные перенапряжения.Широкополосные высокоэнергетические кондуктивные помехи в процессе коммутации могут рассматриваться наравне с кондуктивными грозовыми помехами в здании (предусмотрены эквипотенциальные соединения для соответствующей молниезащиты). Поэтому стандарт VG определяет соответствующие пиковые помехи в зависимости от типа среды.DIN VDE 0160 определяет приложенное перенапряжение из-за процесса отключения или элемента защиты от перегрузки по току. 0,1/1,3 мс (скорость нарастания 0,1 мс, время нарастания волны 0,15 мс), импульсное напряжение с пиковым значением upeak накладывается на пиковое значение напряжения переменного тока uN/макс.Широкополосные низкоэнергетические помехи рабочего напряжения (т. е. скопление импульсов) указаны в DIN VDE 0847, часть 4-4. Форма сигнала составляет 5/50 нс (скорость нарастания 5 нс, время нарастания волны около 7,4 нс), амплитуда зависит от серьезности испытания и применяется к линиям электропередач и линиям связи в виде пакетов импульсов с помощью разделительных конденсаторов.В дополнение к кондуктивным помехам сам рабочий процесс создает значительные помехи (например, искрение при отключении выключателя), что вызывает дополнительные кондуктивные помехи.

---

Время публикации: Feb-10-2023