Министерство  образования и науки Российской Федерации

 Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования 

  «Пермский национальный исследовательский  политехнический  университет» 

Электротехнический  факультет

Кафедра Микропроцессорных средств автоматизации 
 
 
 
 
 
 
 

  РЕФЕРАТ 
по дисциплине «Электромагнитная совместимость» 
тема: «Методы и средства защиты объектов электроэнергетики от молний» 
 

Выполнил: 
студент группы ЭСз-07 Шилов О.В. 
Проверил: 
ст. преподаватель Калинин И.С. 
 
 
 
 

Пермь 
2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ 3

ЗОНОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ ЗАЩИТЫ 5

ВЫБОР ТИПА ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ 17

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 19

ВВЕДЕНИЕ

  В настоящее время строится и реконструируется большое число объектов с повышенными  требованиями к молниезащите: электростанции (ЭС), особенно атомные (АЭС), подстанции (ПС), объекты нефтегазовой отрасли, транспорта, связи и др.

    Функционирование многих объектов  сегодня обеспечивает микропроцессорная  (МП) аппаратура, чувствительная к  импульсным электромагнитным помехам  (возникающим в том числе при  молниевом разряде). МП аппаратура  выполняет всё более и более  важные функции. Поэтому понятие  «молниезащита» применительно к  современному положению расширилось.  Молниезащиту можно разделить  на две взаимосвязанные составляющие: защита от первичных и вторичных  проявлений молнии.

    К защите от первичных проявлений  относится только внешняя система  молниезащиты и заземления, обеспечивающая  собственно защиту объекта от  прямых разрядов (способных привести  к гибели людей, повреждению  основного оборудования, пожарам,  взрывам, и т.п.) и отвод основной  части тока молнии в заземлитель.  К защите от вторичных проявлений  молнии относятся средства, обеспечивающие  защиту чувствительной аппаратуры  и ее цепей от импульсных  разностей потенциалов между  «землями», возникающих при близком  молниевом разряде. К защите  от вторичных проявлений молнии  также относят средства экранирования  электромагнитных полей, воздействующих  на аппаратуру и ее цепи.

  Назначение  молниезащиты зданий и сооружений - обеспечение электромагнитной совместимости  основной среды обитания человека и  атмосферного электричества во всех его проявлениях, в том числе  и в виде грозы. Она включает комплекс мероприятий и устройств, предназначенных для обеспечения безопасности людей, предохранения зданий, сооружений, оборудования и материалов от взрывов, загораний и разрушений, возможных при воздействии молний.

  Обеспечение электромагнитной совместимости включает:

-  защиту  зданий и сооружений при ПУМ от каких бы то ни было повреждений (механических, термических, электротехнических) их частей; 
- исключение искрообразования, пожаров и взрывов во всех помещениях зданий и сооружений, включая помещения, содержащие взрывоопасный и пожароопасные зоны;

- обеспечение  электробезопасности как внутри  зданий и сооружений, так и  снаружи; 
- исключение выноса опасного потенциала;

- защиту  электроустановок и информационно-технологического  оборудования от электромагнитного  влияния молнии.

  По  степени защиты здания и сооружения подразделяются на три категории: здания и сооружения, отнесённые к I и II категории молниезащиты, должны быть защищены от прямых ударов молнии, вторичных проявлений молнии и заноса высокого потенциала через наземные, надземные и подземные металлические коммуникации; здания и сооружения, отнесённые к III категории молниезащиты, должны быть защищены от прямых ударов молнии и заноса высокого потенциала через наземные и подземные металлические коммуникации.

  Классификация объектов определяется по опасности  ударов молнии для самого объекта  и его окружения. Непосредственное опасное воздействие молнии - это  пожары, механические повреждения, травмы людей и животных, а также повреждения  электрического и электронного оборудования. Удары молнии могут быть особо  опасны для информационных систем, систем управления, контроля и электроснабжения.

  Рассматриваемые объекты могут подразделяться на обычные и специальные. Обычные  объекты - жилые и административные строения, а также здания и сооружения высотой не более 60 м, предназначенные  для торговли, промышленного производства, сельского хозяйства.

  Специальные объекты: объекты, представляющие опасность для непосредственного окружения; объекты, представляющие опасность для социальной и физической окружающей среды (объекты, которые при поражении молнией могут вызвать вредные биологические, химические и радиоактивные выбросы); прочие объекты, для которых может предусматриваться специальная молниезащита, например строения высотой более 60 м, игровые площадки, временные сооружения, строящиеся объекты.

  При строительстве и реконструкции  для каждого класса объектов требуется  определить необходимые уровни надежности защиты от прямых ударов молнии (ПУМ). Например, для обычных объектов может быть предложено четыре уровня надежности защиты, указанных в таблице 1.

  Таблица 1

  Для специальных объектов минимально доступный  уровень надежности защиты от ПУМ  устанавливается в пределах 0,9 — 0,999 в зависимости от степени его  общественной значимости и тяжести  ожидаемых последствий от прямого  удара молнии.

ЗОНОВАЯ КОНЦЕПЦИЯ  ЗАЩИТЫ

  Современное состояние молниезащиты зданий и  сооружений зависит от таких факторов, как наличие элементов молниезащиты, предназначенных для принятия электрического канала молнии, отвода и распределения  тока молнии в земле, правильность выполнения устройства молниезащиты, а также  ее эксплуатация  в соответствии с требованиями норм.

  В своей основе проблемы российской молниезащиты имеют нормативный характер. Действующие  на территории РФ нормы в области  молниезащиты не отражают, в полной мере, достижений современной науки  и техники.

  Эффективные методы и средства молниезащиты наиболее полно изложены в стандартах МЭК (Международная электротехническая комиссия) и подтверждены широким практическим применением в промышленно развитых странах.

  Сама  система молниезащиты состоит из нескольких составных частей, основные из которых, это внешняя и внутренняя молниезащита. Внешняя молниезащита – это защита от прямого удара  с устройством молниеприемной части, токоотводов и заземления. Внутренняя молниезащита – защита от наведенного  и занесенного грозового потенциала посредством уравнивания потенциалов  с применением ограничителей  перенапряжения.

  Требования, изложенные в данных стандартах, формируют  так называемую «Зоновую концепцию защиты», основными принципами которой являются:

  − применение строительных конструкций  с металлическими элементами (арматурой, каркасами, несущими элементами и т.п.), электрически связанными между собой  и системой заземления, и образующими  экранирующую среду для уменьшения воздействия внешних электромагнитных влияний внутри объекта («клетка  Фарадея»);

  − наличие правильно выполненной  системы заземления и выравнивания потенциалов;

  − деление объекта на условные защитные зоны и применение специальных устройств  защиты от перенапряжений (УЗИП);

  − соблюдение правил размещения защищаемого  оборудования и подключенных к нему проводников относительно другого  оборудования и проводников, способных  оказывать опасное воздействие  или вызвать наводки.

    Наиболее сложная схема системы  защиты должна выстраиваться  для объектов, которые находятся  на открытой местности и имеют  в своем составе высоко расположенные  элементы конструкции. К таким  объектам можно отнести промышленные  объекты с высокими трубами,  объекты связи с антенно-мачтовыми  сооружениями (АМС) и т.п., в которые с большой степенью вероятности может ударить молния, а также объекты, имеющие воздушные вводы электропитания.

  Токи  молний могут воздействовать на объект прямым способом при попадании молнии в его систему молниезащиты или  находящиеся в непосредственной близости сооружения, предметы или  деревья. Но наиболее частыми являются случаи вторичных воздействий при  ударе молнии в удаленные объекты (линии электропередач, подстанции и т.п.), связанные какими-либо коммуникациями с защищаемым объектом, или при  межоблачных разрядах, вызывающих возникновение  импульсных токов больших величин  в металлических элементах конструкций  и коммуникациях. Основные пути заноса перенапряжений для объектов различного типа показаны на рис. 1. 

  Рис. 1. Основные пути заноса перенапряжений объектов. 

  Защита  зданий от разрядов молнии осуществляется с помощью молниеотводов. Молниеотвод представляет собой возвышающееся над защищаемым объектом устройство, через которое ток молнии, минуя защищаемы объект, отводится в землю. Оно состоит из молниеприемника, непосредственно воспринимающего на себя разряд молнии, токоотвода и заземлителя.

  Защитное  действие молниеотводов основано на свойстве молнии поражать прежде всего  более высокие, имеющие надежную связь с землей металлические  объекты. Во время лидерной стадии в  разряде молнии, на вершине молниеотвода (на молниеприемнике) скапливаются заряды, создающие наибольшие напряженности  электрического поля на пути между  развивающимся лидерным каналом  молнии и вершиной заземленного молниеотвода. По этому пути и развивается разряд. Возникновение и развитие с молниеотвода встречного ионизированного канала предопределяет разряд молнии в молниеотвод. Защищаемый объект, более низкий, чем  молниеотвод, будучи расположенным  поблизости от него или под ним, оказывается  заэкранированным молниеотводом и  встречным лидером и поэтому  практически не будет поражаться молнией.

  Пространство  вокруг молниеотвода, защищенное от попаданий  молнии, называется его зоной защиты. Защищаемы дом (постройка) должен полностью  входить в зону защиты молниеотвода. Вследствие того, что пути разрядов не постоянны, защищенность объектов обеспечивается лишь с определенной степенью надежности (не более 98 %).

  Отдельно  стоящие или закрепленные на доме молниеотводы по типам молниеприемников разделяются на стержневые и тросовые. Стержневые молниеотводы выполняются  в виде вертикально установленных  стержней (мачт) с установленными на них молниеприемниками, соединяемыми токоотводами с заземлителями, а  тросовые - в виде горизонтально  подвешенных тросов (проводов), являющихся молниеприемниками. По опорам, к которым  крепиться торс, прокладываются токоотводы, соединяющие молниеприемник с  заземлителем.  Тросовые молниеотводы применяются  для защиты длинных и узких  сооружений, а также в тех случаях, когда из-за каких-либо других причин нельзя установить необходимое число  стержневых молниеотводов. Для подавляющего большинства зданий защиты стержневыми  молниеотводами оказывается более  простой и удобной.

  Железобетонные  конструкции зданий, выполняющие  функцию естественного заземляющего устройства и имеющие электрическое  соединение с системой выравнивания потенциалов, достаточно хорошо экранируют находящуюся внутри технику от электромагнитных воздействий (клеть Фарадея), отводя большую опасную часть тока молнии при прямом попадании в объект на землю (см. рис.2).

  Рис 2. Структура здания (клеть Фарадея) и растекание токов по металлоконструкциям при прямом ударе 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 общими требованиями по ограничению внешних воздействий, влияющих на защищаемую систему. Имеет  место общее правило, по которому с увеличением номера защитной зоны уменьшаются 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 конструкции 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  рисунке 3 приведен 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 1000 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). 

  Рис. 3. Разделение защищаемого объекта  на несколько зон. 

  Для гарантированной защиты объекта  от перенапряжений, возникающих при  стекании токов молнии на заземляющее  устройство или при «приходе»  волны перенапряжения по питающей сети (в случае далекого удара молнии), «Зоновой концепцией защиты предусмотрена  трехступенчатая схема включения защитных устройств.

  Согласно  требований данных стандартов, устройства защиты от перенапряжений, в зависимости  от места установки и способности  пропускать через себя различные  импульсные токи, делятся на следующие  классы: I, II, III (или B, C, D согласно немецкого стандарта E DIN VDE 0675-6 (1989-11). Основные требования к ограничителям перенапряжения разных классов приведены в таблице 2. 

  Таблица 2

  Исходя  из оценки риска прямого удара  молнии или наводок от удаленного разряда, необходимо выбрать тип  применяемых защитных устройств  и схему их установки. Необходимость  защиты от грозовых перенапряжений зависит  от:

  − Интенсивности ударов молнии в данном месте N_g (среднее годовое количество ударов молнии на 1 км 2 за год).

  − Также необходимо оценить уязвимость самой электроустановки. Например, подземные системы электропитания по вполне понятным причинам считаются  менее уязвимыми, чем воздушные.

  − Высокая стоимость оборудования, подключенного к защищаемой электроустановке, может стать важным критерием  для усложнения схемы защиты и  наоборот.

    Согласно определения, приведенного  в стандарте ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК  61643-1-98): «Устройство защиты от  перенапряжений (УЗИП) – это устройство, которое предназначено для ограничения  переходных перенапряжений и  для отвода импульсов тока. Это  устройство содержит, по крайне  мере, один нелинейный элемент». В качестве элементной базы  для создания УЗИП, как правило,  используют разрядники различных  типов и оксидно-цинковые варисторы.

  При выборе защитных устройств на разрядниках  или оксидно-цинковых варисторах необходимо обращать внимание на следующие параметры:

   1. Номинальное рабочее напряжение. (U_n) Это номинальное действующее напряжение сети, для работы в которой предназначено защитное устройство.

  2. Наибольшее длительно допустимое  рабочее напряжение защитного  устройства (максимальное рабочее  напряжение). (U_c) Это наибольшее действующее значение напряжения переменного тока, которое может быть длительно (в течение всего срока службы) приложено к выводам защитного устройства.

  3. Классификационное напряжение (Параметр  для варисторных ограничителей  перенапряжений). Это действующее  значение напряжения промышленной  частоты, которое прикладывается  к варисторному ограничителю  для получения классификационного  тока (обычно значение классификационного  тока принимается равным 1,0 мА).

  4. Импульсный ток. (I_imp) Этот ток определяется пиковым значением Ipeak испытательного импульса длительностью 10/350 мкс и зарядом Q. Применяется для испытаний защитных устройств класса I.

  5. Номинальный импульсный разрядный  ток. (I_n) Это пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, проходящего через защитное устройство. Ток данной величины защитное устройство может выдерживать многократно. Используется для испытания УЗИП класса II. При воздействии данного импульса определяется уровень защиты устройства. По этому параметру также производится координация других характеристик УЗИП, а также норм и методов его испытаний.

  6. Максимальный импульсный разрядный  ток. (I_max) Это пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, который защитное устройство может пропустить один раз и не выйти из строя. Используется для испытания УЗИП класса II.

  7. Сопровождающий ток. (I_f) (Параметр для УЗИП на базе разрядников). Это ток, который протекает через разрядник после окончания импульса перенапряжения и поддерживается самим источником тока, т.е. электроэнергетической системой. Фактически значение этого тока стремится к расчетному току короткого замыкания (в точке установки разрядника для данной конкретной электроустановки). Поэтому для установки в цепи «L-N; L-PE» нельзя применять газонаполненные (и другие) разрядники со значением I_f  равным 100 – 400 А. В результате длительного воздействия сопровождающего тока они будут повреждены и могут вызвать пожар! Для установки в данную цепь необходимо применять разрядники со значением I_f, превышающим расчетный ток короткого замыкания, т.е. желательно величиной от 2 – 3-х кА и выше.

  8. Уровень защиты.(U_p) Это максимальное значение падения напряжения на защитном устройстве при протекании через него импульсного тока разряда. Параметр характеризует способность устройства ограничивать появляющиеся на его клеммах перенапряжения. Обычно определяется при протекании номинального импульсного разрядного тока (I_n).

  9. Время срабатывания. Для оксидно-цинковых  варисторов его значение обычно  не превышает 25 нс. Для разрядников  разной конструкции время срабатывания  может находиться в пределах  от 100 наносекунд до нескольких  микросекунд.

  Существует  ряд других параметров, которые тоже учитываются при выборе устройств  защиты от перенапряжения: ток утечки (для варисторов), максимальная энергия, выделяемая на варисторе, ток срабатывания предохранителей (для защитных устройств  со встроенными предохранителями).

  Система внутренней молниезащиты для электропитающей  сети до 1000 В, состоящая из разного  типа устройств защиты от импульсных перенапряжений, должна быть способна осуществить отвод грозовых токов  или их большей части без повреждения  самих защитных устройств. Для определения  величины тока, проходящего через  УЗИП первой ступени защиты в случае прямого удара молнии в здание, защищённое системой внешней молниезащиты, рекомендуется исходить из конфигурации системы заземления и уравнивания  потенциалов здания, а также подведенных  к нему коммуникаций (трубопроводов, электропитающих кабелей, кабелей  связи и передачи информации и  др.). На рисунке 4 приводится классический пример распределения грозового тока в объекте, подвергнутом прямому удару молнии (МЭК 61024-1-1; МЭК 61643-12). 

  Рис. 4 Распределение токов молнии при  прямом ударе в объект

    Методика расчета токов растекания  приведена в ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК  61643-1-98), ПРИЛОЖЕНИЕ А.

  Для определения распределения токов  между металлическими элементами конструкции  здания при попадании молнии в  систему внешней молниезащиты, необходимо рассчитать сопротивления заземляющих устройств, трубопроводов, электропитающего ввода, ввода кабелей связи и т.п.

  В случаях, когда трудно осуществить  точный расчёт, осуществляется так  называемая квалифицированная оценка, исходящая из следующих рассуждений:

   - расчет производится для пикового  значения тока I_imp, взятого из таблицы 2.3 (Инструкции СО–153-34.21.122-2003) в соответствии с выбранным уровнем защиты от ПУМ. Например, для объектов с первым уровнем защиты I_imp = 200 kA (10/350 мкс)

  - 50% от общего тока I_imp = 200kA (10/350) → I_S1 = 100kA (10/350) отводится в землю через заземляющее устройство системы внешней молниезащиты;

  - 50% от общего тока I_imp = 200kA (10/350) → I_S2 = 100kA (10/350) разделится равномерно (приблизительно по 17%) между наружными вводами в объект, например, трех основных видов коммуникаций: кабелями связи и передачи информации, металлическими трубопроводами и проводами ввода электрического питания 220/380 В.

    Величина тока проходящего через  отдельные вводы обозначается  как I_i, при этом:

  I_i = I_S2/n, где n равняется числу вводов. Для оценки тока I_V в отдельных жилах неэкранированного кабеля, ток в кабеле делится на количество проводов m:

  I_V = I_i/m.

    Для правильного выбора типа  защитных устройств и их основных  параметров целесообразно руководствоваться  следующим правилом:

  Расчет  необходимо производить исходя из максимального  значения грозового тока I_imp (10/350 мкс) в зависимости от уровня защиты объекта от прямого удара молнии. Далее, определить (по приведенной выше методике) для каждого провода системы электропитания значение импульсного тока формы (10/350 мкс), который может в нем протекать и который должно гарантированно отвести защитное устройство класса I. После этого выбрать защитное устройство с некоторым запасом (20 – 30 %), учитывая возможную неравномерность растекания токов по различным проводникам.

  В случае изменения исходных данных, т.е. числа вводов в объект, типа системы  электропитания, количества проводов в кабеле и т.д., итоговые значения также могут существенно измениться. При этом изменения могут произойти  как в сторону уменьшения импульсных токов, так и в сторону их возрастания. В случае применения экранированных кабелей большая часть токов  растекается через экранные оболочки, что лишний раз подтверждает необходимость  применения данных кабелей на объектах с повышенными требованиями к  защищенности от удара молнии.

  Приведенные выше заключения истинны для объектов, оборудованных системой внешней  молниезащиты и имеющих кабельный  подземный ввод электропитания. Ситуация может серьезно усложниться в  случае наличия воздушного ввода  электропитания. Элементарный расчет показывает, что при прямом попадании  молнии с током I_imp = 200 kA (10/350 мкс) и при условии его равномерного распределения по четырем проводам системы TN-C, импульсные токи в каждом проводе будут иметь значения около 50 кА. Стекание этих токов на землю будет осуществляться в две стороны: через оборудование низковольтной стороны под станции и элементы электроустановки объекта в примерном соотношении 1:1. Таким образом, в каждом проводе на вводе электропитающей установки объекта мы будем иметь ток величиной 25 кА (10/350 мкс). Если предположить, что равномерного растекания токов по какой-то причине не произошло, то это значение может возрасти до 45-50 кА и более.