info@reallab.ru                                   +7 (495) 26-66-700 (многоканальный)              +7 (928) 289-24-86 (WA), +7 (961) 427-15-45 (дополнительные номера)
RealLab — Эффективная безопасностьтехнологических процессов
Российское оборудование и системы
промышленной автоматизации

 

3.7. Защита промышленных сетей от молнии

3.7.1. Пути прохождения импульса молнии

3.7.2. Средства защиты

Во время разрядов молнии появляется сильное магнитное и электростатическое поле, а также резко повышается потенциал земли в области заземления молниеотвода при ударе молнии. Все эти явления приводят к возникновению опасных для аппаратуры напряжений на кабелях промышленных сетей и цепей питания.

 

3.7.1. Пути прохождения импульса молнии

Наибольшая величина наводки получается при ударе молнии в близко расположенный молниеотвод. Поскольку напряженность магнитного поля спадает обратно пропорционально расстоянию от источника поля, одним из способов решения проблемы может быть отдаление кабелей от молниеотвода. Используются также электромагнитное экранирование, полупроводниковые и газоразрядные защитные элементы.

Оценим величину напряжения и тока, наводимых молнией в кабелях промышленной автоматики. Предположим, что ток молнии проходит по длинному вертикально расположенному молниеотводу, а здание не имеет экранирующих железобетонных конструкций. Тогда напряженность магнитного поля внутри здания на расстоянии от молниеотвода будет описываться законом полного тока . Рассмотрим проводящую рамку (контур) длиной и шириной , расположенную в плоскости молниеотвода. Предположим, что ширина рамки достаточно мала, чтобы можно было пренебречь неоднородностью поля внутри рамки, а напряженность поля однородна вдоль ее длины. Тогда э. д. с., наведенная в рамке, по закону Фарадея будет равна

,

(3.10)

 

где Гн/м; =1, = - площадь рамки - скорость нарастания тока (см. раздел "Молния и атмосферное электричество"). Для максимального значения =280 кА/мкс при длине рамки =10 м и ширине =10 см (=1 кв. м.) на расстоянии от молниеотвода =5 м получим =11 кВ. Поскольку молнии с такими параметрами встречаются редко (см. раздел "Молния и атмосферное электричество"), для типового случая =20 кА/мкс получим =800 В.

 

На рис. 3.111 приведен один из наихудших случаев возникновения большой э.д.с. в кабеле промышленной сети. Неэкранированная витая пара промышленной сети проходит параллельно молниеотводу и параллельно шине заземления, образуя контур площадью на расстоянии от молниеотвода. Кабель имеет гальаническую развязку с двух сторон. Молния наводит в контуре э.д.с., равную сумме напряжений на емкостях устройств гальванической развязки = величиной до 11 кВ при исходных данных, приведенных выше.

Оценим величину тока, который будет протекать в контуре после пробоя изоляции. Молниеотвод и заштрихованный на рис. 3.111 контур являются связанными индуктивностями. Уравнение, связывающее напряжение и ток в контуре в нашем случае будет иметь вид [Попов]

,

(3.11)

 

где - взаимная индуктивность, - индуктивность контура. В режиме до пробоя ток в контуре равен нулю и выражение (3.11) принимает вид . Сравнивая его с (3.10), получим, что . При приведенных выше численных значениях параметров получим =0,04 мкГн.

 

Индуктивность контура можно приближенно (при >>) вычислить по формуле для индуктивности двухпроводной линии [Барнс]:

,

(3.12)

 

где - диаметр провода линии. При =1 мм и приведенных выше параметрах контура получим =21 мкГн.

 

 


Рис. 3.111. Заземление в промышленной сети на основе интерфейса RS-485

 

После пробоя напряжение и, как следует из (3.11), , откуда , т. е. форма тока в контуре будет совпадать с формой тока молнии (рис. 3.65). При максимальном токе молнии 200 кА максимальный ток в контуре будет равен 380 А. Отметим, что при диаметре провода 1 кв. мм омическое сопротивление контура составит 0,22 Ом и при э.д.с. в контуре 11 кВ ток короткого замыкания был бы равен 50 кА, т.е. активным сопротивлением контура можно пренебречь, что мы и сделали.

Если кабель экранирован и заземлен с двух сторон, то наведенный ток может расплавить провод заземления экрана. Если экран заземлен с одной стороны, то на втором его конце наводится напряжение в нашем примере от 800 В до 11 кВ.

Такие напряжения и токи действительно возникают в зданиях, не имеющих в стенах металлической арматуры или других экранирующих поверхностей для защиты от магнитного поля молнии. Если здание выполнено из железобетона, то металлическая арматура в бетоне образует экранирующую сетку, которая, в зависимости от расстояния между прутьями и их толщины, а также наличия окон и дверных проемов, может ослабить магнитное поле в несколько раз.

Одним из способов уменьшения влияния разрядов молнии на кабели является отдаление молниеотвода от здания или кабелей от молниеотвода. В частности, если молния возникает на большом расстоянии от кабелей (например, между двумя облаками на высоте 300 м), то в приведенной оценке ток и напряжение наводки будут примерно в 100 раз меньшими.

Несмотря на то, что молниеотводы расположены вертикально, в металлических конструкциях зданий, в том числе в прутьях арматуры, наведенный ток проходит не только параллельно молниеотводу, но и перпендикулярно ему, создавая магнитное поле в контурах, расположенных не только вертикально, но и горизонтально.

Вторым следствием удара молнии в молниеотвод является повышение потенциала заземления молниеотвода и соединенного с ним заземления здания на несколько киловольт [Матвеев, Матвеев]. Если при этом кабель соединяет интерфейсы систем передачи данных, расположенные в разных зданиях (рис. 3.112), то напряжение между заземленными частями аппаратуры в разных зданиях может превысить напряжение пробоя изоляции элементов гальванической развязки интерфейсов (рис. 3.112). Например, при токе молнии 50 кА и сопротивлении заземления 0,2 Ом это напряжение достигнет 10 кВ, что достаточно для пробоя типовых модулей гальванической развязки.

 


Рис. 3.112. Появление высоких напряжений на элементах гальванической развязки при ударе молнии

 

3.7.2. Средства защиты

Эффективной защитой кабелей от магнитного поля молнии являются стальные трубы (нельзя использовать трубы из нержавеющей стали, которая не является ферромагнитным материалом) [Барнс].

Для защиты от перенапряжений используются газонаполненные разрядники, варисторы, TVS-диоды и TVS-тиристоры (Transient Voltage Suppressor - "подавитель переходных напряжений"). Защитные элементы бывают двух типов: ограничивающие и шунтирующие (закорачивающие). Ограничивающие элементы стабилизируют напряжение в линии на некотором уровне, например, на уровне напряжения стабилизации для ограничивающих стабилитронов (TVS-диодов). Шунтирующие элементы снижают напряжение в линии до напряжения открытого состояния защитного элемента, например, до напряжения на тиристоре в открытом состоянии при защите TVS-тиристором.

В газонаполненных разрядниках при некотором напряжении начинается лавинный пробой в газе и образуется канал с плазмой, имеющий низкое сопротивление. При этом напряжение на разряднике падает, энергия наведенного молнией импульса выделяется в виде тепла в подводящих проводах, на балластном резисторе (если он имеется) и на самом разряднике. Недостатком газовых разрядников является большое время срабатывания (от 0,1 мкс до единиц микросекунд), ограниченный срок службы и низкая надежность, которая связана с возможной разгерметизацией трубки при ее нагреве. Однако газовые разрядники выдерживают очень большой ток, что делает их пригодными для выполнения первой ступени защиты, с напряжением ограничения перенапряжения обычно от 90 В до 1 кВ. Несмотря на низкое быстродействие, газовые разрядники способны рассеять основную часть энергии, пропуская на выход только короткий выброс в начале импульса. Поэтому совместно с газовыми разрядниками в качестве второй ступени защиты используются более быстродействующие элементы - варисторы и TVS-диоды.

Металло-окисные варисторы (MOV - Metal-Oxide Varistor) изготавливаются в форме диска, площадь которого пропорциональна допустимому току. Материалом для изготовления служит порошкообразный карбид кремния и связующее вещество (жидкое стекло, лаки, смолы). Варистор можно упрощенно представить как множество полупроводниковых p-n-переходов, которые включены последовательно и параллельно. Поэтому сопротивление варистора падает с простом приложенного напряжения. Недостатком варисторов является сильная нестабильность напряжения срабатывания во времени и деградация параметров с каждым актом срабатывания. Напряжение срабатывания варисторной защиты лежит в диапазоне от нескольких вольт до 1,5 кВ, ток - от единиц ампер до десятков тысяч ампер, время срабатывания составляет несколько наносекунд.

Наилучшим элементом защиты являются TVS диоды и TVS тиристоры, которые известны также под торговыми марками Trans Zorb, Transil, Insel.

TVS тиристоры представляют собой обычный тиристор со стабилитроном в цепи управляющего электрода. При повышении напряжения на стабилитроне более напряжения стабилизации в управляющий электрод начинает протекать ток, отпирающий тиристор. Открытый тиристор выполняет роль шунтирующего элемента, понижая напряжение в защищаемой линии до 1-2 Вольт. После окончания импульса молнии ток линии становится меньше тока удержания тиристора и он переходит в запертое состояние. TVS тиристоры имеют время срабатывания около нескольких наносекунд.

TVS диоды имеют такую же структуру, технологию изготовления и принцип действия, как обычные стабилитроны (основаны на лавинном пробое p-n-перехода), но спроектированы специально для работы при больших токах малой длительности и имеют малую емкость обратно смещенного p-n-перехода. Благодаря монокристальной кремниевой технологии параметры TVS диодов стабильны во времени. Время срабатывания достигает нескольких пикосекунд. Напряжение срабатывания задается техпроцессом и лежит в диапазоне от 2,8 В до 440 В. Для уменьшения емкости диода, которая шунтирует промышленную сеть, последовательно с TVS-диодом включают обычный кремниевый диод с малой емкостью (около 100 пФ). При отсутствии импульсов перенапряжения оба диода заперты, поэтому линия шунтируется только емкостью диода. TVS диоды изготавливаются двух видов: однонаправленные и двунаправленные (симметричные), состоящие из двух последовательно соединенных диодов, направленных встречно. Время срабатывания у однонаправленных TVS диодов составляет единицы пикосекунд, у двунаправленных - единицы наносекунд. TVS диоды и тиристоры способны рассеивать мощность до нескольких киловатт при импульсе перенапряжения длительностью до 1000 мкс, пропуская ток до тысяч ампер.

 

а)

б)


Рис. 3.113. Защита линий интерфейса RS-485 от перенапряжений

 

На рис. 3.113 показаны две схемы построения цепей защиты для промышленной сети на основе интерфейса RS-485. На рис. 3.113-а показана схема на симметричных TVS диодах и двухэлектродных газонаполненных разрядниках. В качестве балластного резистора могут быть использованы позисторы, которые увеличивают свое сопротивление при нагревании протекающим током. На рис. 3.113-б показана аналогичная схема, но с применением несимметричных TVS-диодов и трехэлектродного газонаполненного разрядника. Поскольку балластный резистор включен последовательно с линией передачи, его сопротивление стараются сделать по возможности меньшим.

Частично импульсы перенапряжения можно уменьшить с помощью фильтров на конденсаторах, однако конденсаторы часто представляют собой недопустимо большую емкостную нагрузку для защищаемой цепи.

Устройства защиты разных интерфейсов и цепей различаются напряжением срабатывания (ограничения). Для телефонных линий это напряжение составляет 65 В, для Ethernet - 5В, для сетей на основе интерфейса RS-485 - 7,5 В.

 

 

3.6. ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА

3.8. СТАНДАРТЫ И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ ПО ЭМС

 

Располагается на площади 8900 м², оснащено самым современным технологическим оборудованием, имеет научно-исследовательское и конструкторское подразделение, использующие передовые средства автоматизации проектирования.

 



   
     
               
 
КОНТАКТЫ

Телефон:


Режим работы:
Адрес:

Почта:

+7 (495) 26-66-700
+7 (928) 289-24-86, 
+7 (961) 427-15-45
с 8:00 до 16:30
Биржевой Спуск, 8
г. Таганрог, Россия
info@reallab.ru

© НИЛ АП, ООО, 1989-2024

Дизайн-студия cCube. Разработка и поддержка сайтов
Разработка и поддержка
cCube.ru