Защита оборудования от грозы

Грозовой разряд (молния) представляет собой разновидность искрового разряда в электрическом поле атмосферы при длине искры в несколько километров. Причиной возникновения молний является образование большого объемного электрического заряда. Обычным источником молний являются грозовые тучи, несущие в себе скопление положительных и отрицательных электрических зарядов в верхней и нижней частях облака и образующие вокруг этого облака большие электрические поля. Хотя и возможны другие причины.

Образование объемных зарядов различной полярности в облаке связано с конденсацией вследствие охлаждения и возникновении при этом положительных и отрицательных ионов и последующее разделение заряженных капелек под воздействием тепловых воздушных потоков.

Когда градиент потенциала в какой-либо точке облака достигает критического для изоляционных свойств воздуха значения, в этом месте начинает зарождаться молния. Так как в облаке, как правило, образуется несколько изолированных друг от друга скоплений одноименных зарядов, то большинство грозовых разрядов представляет собой серию отдельных импульсов.

Очень упрощенно грозовое электрическое поле можно представить в виде статического поля и поля излучения (в свою очередь, состоящую из индукционной и радиационной составляющих).

При изменении расстояния статическая составляющая изменяется обратно пропорционально кубу расстояния, а составляющие поля излучения – обратно квадрату расстояния (индукционная) и линейно – обратно расстоянию (радиационная).

Поэтому при расстоянии до молнии ближе 20 ÷ 30 км преобладает статическая составляющая, а при больших расстояниях (100 км и более) – в основном поле излучения.

Мерой защиты служит исключение влияния статического заряда. Это достаточно просто сделать, учитывая достаточно медленный характер нарастания уровня напряженности электрического поля (50 ÷ 300 м·с). Для этого достаточно поставить резистор для стекания токов параллельно входу приемника или еще лучше дроссель. Причем величину индуктивности дросселя необходимо выбирать минимально возможной (для обеспечения стекания статистически наведенных токов, имеющих максимальную скорость нарастания), но достаточную для прохождения контролируемых сигналов.

Поле излучения в наиболее простом случае можно представить в виде короткого импульса тока, в общем случае имеющего колебательный характер, то есть короткого радиоимпульса. За счет малой длительности такого импульса (30 ÷ 150 м·с), спектр такого излучения очень широк, а в пределе, если рассматривать его как дельта-функцию, имеет вообще бесконечно широкий равномерный энергетический спектр.

Помимо грозовых импульсов в реальных условиях эксплуатации электронного оборудования в его цепях могут возникнуть различные виды электрических перегрузок, создаваемые электромагнитными импульсами искусственного происхождения (за счет излучения радиопередающих устройств, высоковольтных линий передачи, сетей электрифицированных железных дорог и тому подобное), а также за счет внутренних переходных процессов в оборудовании при ее функционировании (например, при переключениях индуктивных нагрузок) и электростатических разрядов ЭСР.

Рассмотрим основные причины выхода оборудования из строя во время грозы.

1. Образование статического электричества на кабелях и аппаратуре в результате влияния неподвижных зарядов, накопленных в грозовом облаке.

Наиболее подвержены влиянию статических зарядов воздушные линии. Причем значительный заряд может также накапливаться в сухую погоду зимой и летом во время «песчаных метелей».

Основной метод защиты – обеспечение отвода статического электричества с помощью заземления экрана и (или) проводящей траверсы и установки на обоих концах кабеля разрядников. Здесь на первое место выходит правильность выполнения заземления и надежность разрядников, к которым предъявляются высокие требования по отводу значительного тока.

2. Наведение в кабельной системе импульсов высокого напряжения, которые возникают в результате воздействия мощного электрического поля, порожденного грозовыми разрядами.

Если применяемая линия высокого напряжения (ЛВН) не экранирована, в результате воздействия мощной электромагнитной волны на каждом шаге скрутки наводится небольшое напряжение, в пределах нескольких милливольт. Если ЛВН изготовлена идеально и площадь контуров одинакова, суммарная наведенная ЭДС близка к нулю. Реально же шаг скрутки далеко не одинаков, поэтому полной взаимной компенсации элементарных ЭДС не происходит, и чем длиннее кабель, тем выше может быть напряжение между проводниками одной пары в результате электромагнитного импульса, создаваемого молнией. Это напряжение может достигать нескольких сотен вольт.

Основной метод защиты – экранирование, установка на концах кабеля устройств защиты выравнивающих потенциалы, при которых максимальное напряжение между любыми двумя проводами в кабеле не превышает 7 ÷ 10 В. Потенциал, превышающий сотни вольт относительно земли, снижает разрядник.

3. Броски напряжения питающей сети. Это довольно часто встречающаяся причина выхода из строя оборудования «целиком». В сети 220 В нередко происходят броски напряжения до нескольких тысяч вольт. Причины тому – срабатывание предохранителей на подстанции, разряд молнии, помеха от других мощных потребителей энергии.

Традиционные методы защиты – повышение надежности штатных источников питания, применение источников бесперебойного питания и устройств защиты от повышения напряжения в сети.

4. Изменение потенциала заземляющих устройств. Оно возникает при близком разряде молнии в поверхность земли.

Основная причина выхода из строя аппаратуры – большая разность потенциалов на заземляющих шинах оборудования, установленного на значительном расстоянии друг от друга. В этом случае по кабельным линиям в целях входов/выходов протекает очень большой уравнивающий ток, который разрушает электронное или электрическое оборудование. Минимизировать потери в этом случае можно, строго соблюдая правило монтажа заземляющих устройств.

Для защиты цепей оборудования от воздействия электрических перегрузок могут использоваться разнообразные методы, основными из которых являются: конструкционные, структурно-функциональные, схемотехнические.

Конструкционные способы защиты включают в себя: рациональное расположение и монтаж компонентов, экранирование, заземление и др.

Группа структурно-функциональных методов включает в себя: рациональный выбор принципа действия оборудования и выбор используемых стандартов передачи сигналов и др.

Схемотехнические методы включают в себя пассивную и активную защиту. Наиболее эффективным средством защиты оборудования от воздействия ЭМИ является активная защита.

Основным элементом схем активной защиты являются разрядники, металоокисные варисторы, TVS (transient voltage supressor) – тиристоры и TVS – диоды, называемые в отечественной литературе «супрессорами», «полупроводниковыми ограничителями напряжения» (ПОН) или «диодами для подавления переходных процессов» (ППН) (таблица 3.1).

Таблица 3.1. Сравнение элементов активной защиты от перенапряжений

Продолжение таблицы 3.1

Для защиты оборудования используют модуль грозозащиты (ГЗ), который ограничивает амплитуду воздействующего импульса и тем самым предотвращает в большинстве случаев выход из строя сетевого оборудования.

Многие производители устройств грозозащиты для подавления импульса синфазной помехи используют только искровые разрядники, снижая тем самым себестоимость продукции. Однако при этом снижается надежность работы оборудования.

Причины следующие:

- напряжение срабатывания разрядника зависит от длительности приложенного к нему напряжения. Чем короче импульс, тем выше пробивное напряжение разрядника, на постоянном и импульсном токе может превышать 300 %;

- время срабатывания сравнимо с фронтом грозового импульса, следовательно, при срабатывании разрядника на оборудование проходит короткий импульс, длительностью порядка одной микросекунды;

- наблюдается временная нестабильность разрядных характеристик в ходе эксплуатации разрядников вследствие эрозии электродов, частичной потери вакуума;

- при срабатывании разрядников возникают значительные перенапряжения в расположенных поблизости индуктивных элементах (согласующих трансформаторах, дросселях и прочее).