Защита от мълнии и пренапрежения

Част I. Основни причини за разрушаване на електрическото оборудване

Все по-често се натъкваме на такъв парадокс - оборудването, с което разполагаме става по-сложно, а комплексите и системите, изградени на базата на това оборудване по-трудно работят безотказно. Проблемът се дължи основно на факта, че с повишаване нивото на сложност на системите, рязко нарастват и изискванията към качеството на електрозахранването. В условията на високо активна електромагнитна среда не е препоръчително да се изчаква настъпването на интерференция между електрическите и електронните устройства и системи и едва след това да се инвестират много средства за елиминирането й.

Това важи в голяма степен за устройствата, предаващи данни. Мощните информационни системи са основа на модерното индустриално общество и изискванията към защитата им от различни смущения, предаващи се през електрическата мрежа, са много високи. Прогресът в развитието на промишленото и битово оборудване съществено превишава темпа на развитие на качеството на електрическата мрежа. Нерядко се случва ново монтирано оборудване да не работи нормално заради силни и чести смущения в електрозахранването.

Защо се използват аресторни защити
Известно е, че използването на искрови междини не е ефективно техническо решение, тъй като те имат време на реакция до 100 ns. Съответно варисторите, използвани в аресторните защити, се отличават с време на реакция до 25 ns. Реалната форма на вълната на пренапрежението е неизвестна. За момента, въпреки че съществуват редица стандартизирани изследвани вълни (10/350 ms, 8/20 ms, 1.2/50 ms и др.), реалната картина при възникване на пренапрежение не е предварително известна. Математическото описание на тези процеси включва системи от диференциални уравнения, които трудно се поддават на пресмятане. Затова е по-добре да се използват защитни устройства с най-голямо бързодействие. Симетрията на работната крива на варисторите, използвани в аресторните защити, е друго положително качество, което ги прави независими от полярността на мълнията. Искровите междини се поляризират след първото задействане. Затова, след първото си сработване, експлоатационното им поведение е непредвидимо и зависи от полярността на напрежението. Този ефект не би бил от голямо значение, ако във втората  степен на електрическата инсталация са монтирани варистори от II клас, които да сработват по време на сработването на искровата междина.
Поради своята характерна работна крива варисторите работят безпроблемно в близост до трансформатори. Варисторите, също така, не създават ефект на “инжектиране на ток във веригите”. Този ефект обикновено се появява при използване на искрова междина. Причината е, че през времето, за което продължава прекъсването на създадената в междината искра се създават токови инжекции, които могат да предизвикат изключване на автоматични прекъсвачи и дефектнотокови защити.
В някои инсталации е много важно използването на дистанционни системи, за да се мониторира състоянието на защитните устройства. Защитните устройства с варистори предлагат пълни възможности за управление от разстояние.
Защитите от пренапрежения се разделят на два големи класа - за защита на електроснабдителната мрежа и за защита на информационно-техническата система.
Българското законодателство регламентира точно параметрите на качеството на доставяната електроенергия. Въпреки това, на много места, тя не е с нужното качество. Повече информация за регламентираните параметри на качеството на доставяната електроенергия бихте могли да откриете на страниците на сп. Инженеринг ревю.

Класове и зони според стандартизационната уредба
В съответствие със стандартите IЕС 62 305 и IЕС 61 643 защитата от пренапрежение се разделя на няколко класа, а обектът се разделя на зони. Описани са три зони на защита: LPZ0 (LPZ 0А и LPZ 0B), LPZ1 и LPZ2.
n Зона LPZ 0A представлява пространство, което е изложено на попадение от мълния и би могло да проведе целия ток на мълнията.
n Зона LPZ 0B е защитена от пряко попадение на мълния, в нея действа неотслабващо магнитно поле.
n На прехода между зоните LPZ 0 и LPZ 1 като правило се използва защита от пренапрежение клас I, а между зоните LPZ 1 и LPZ 2 - защита от пренапрежение клас II. На прехода между зоните LPZ 2 и LPZ 3 като правило се използва защита от пренапрежение клас III.
За защита от пренапрежение клас I се изисква тестване със стандартна токова вълна 10/350 ms. Това означава, че защитите от пренапрежение могат да отвеждат токове, които са резултат от преки или непреки попадения на мълнии. Големината на ударния ток зависи от използваното ниво на защита, в съответствие с IЕС 62 305.
За защити от пренапрежение клас II и III се изисква тестване със стандартна токова вълна 8/20 ms. Такава вълна е енергийно по-слаба от изискваната за клас I токова вълна 10/350 ms.

Стандартните вълни за изпитване на електросъоръжения са:
n Стандартизирана пренапрежителна вълна 1.2/50 ms. Става въпрос за стандартизирана пренапрежителна вълна, която се добавя към стандартното мрежово напрежение. Използва се от производителите на електроуреди за тестване на изделията.
n Стандартизирана пренапрежителна вълна 8/20 ms. Представлява токова вълна, която преминава през уредите, когато са обект на пренапрежение (ниска енергия).
n Стандартизирана пренапрежителна вълна 10/350 ms. Токова вълна, която преминава през уредите, когато са обект на пренапрежение, дължащо се на пряко попадение от мълния.
n Стандартизирана пренапрежителна вълна 250/2500 ms. За момента има ограничено използване.
В следващите редове ще бъдат разгледани възможните причини за разрушено електрооборудване и източници на смущения.

Пряко попадение на мълния
Вероятността от пряко попадение на мълния върху електрооборудването не е много висока. За сметка на това, последиците от попадането й са много сериозни. Мълнията има форма на вълна, която се характеризира с много рязък пик на тока и дълга “опашка”. В допълнение към голямата амплитуда на тока и напрежението, основен проблем е много високата скорост на повишаване на тока, която води и до висока стойност на пренапрежението, индуктирано в проводниците (dI/dt ).
Статистиката свидетелства, че при повече от 75% от разрядите на мълнии, се проявяват повторни попадения, които следват първичния разряд в период от 30 - 200 ms. Средният брой на разрядите е три, като са измервани до тридесет и повече.
Фронтът на тока на мълнията би могъл да достигне до 15 kA/ms за първичен удар и по-високи стойности за повторни удари. От статистическите данни за мълниите е известно, че около 95% от токовете на мълнията имат амплитудна стойност до около 14 кА и 5% до 80кА. При това, скоростта на нарастване на напрежението (предният фронт) достига до 12 kV/ms, което е повече от достатъчно, за да повреди дори най-устойчивите електрически изолации. Възникват също вторични явления, дължащи се на образуването на електромагнитно поле около всеки проводник, по който протича ток, независимо от това дали е токоносещ или не е, както и на индуктиране от полето на напрежение в други съседни проводници.
Използва се терминът пренапрежение, тъй като това напрежение се прибавя към съществуващото между проводниците. Пренапрежението е правопропорционално на големината и скоростта на изменение на тока в създаващия полето проводник и обратнопропорционално на разстоянието между проводника и мястото на създаването му. То е толкова по-голямо, колкото по-дълъг е проводникът, в който се индуктира. Токът на мълнията нараства от 0 (преди възникването й) до максималната си стойност (обикновено няколко десетки kA) за милисекунди, поради което пренапреженията могат да достигнат няколко kV. Те са особено големи в близко разположените дълги метални проводници на електрическата мрежа, както и на всякакви други мрежи: информационни, телефонни, компютърни, на кабелната телевизия, които не са в земята. И когато пренапрежението надхвърли допустимото за апаратите, уредите и съоръженията, свързани към мрежата, се създават достатъчно условия те да дефектират.

Атмосферни пренапрежения
Представляват къси и многобройни импулси, които са обикновено от порядъка на десети или стотни от секундата, но с много голяма амплитуда (от порядъка на 100 kV). Те лесно преминават в електрическата мрежа, откъдето достигат и електроапаратурата.
Най-уязвими от атмосферни пренапрежения са линиите за предаване на данни, телефонните линии, системите за охрана и противопожарните сигнализации. Става въпрос за т.нар. вторично въздействие на мълнията. Вероятността от появата му е много висока, защото смущаващите импулси се разпространяват и по електромагнитен път по всички електрически мрежи, даже по водопроводните и газовите метални тръби на разстояние няколко километра от удара на мълнията. Въпреки че са доста слаби, тези импулси са в състояние, ако не повредят оборудването да предизвикат лъжливи сработвания.

Комутационните пренапрежения
възникват в резултат на комутационни процеси (включване и изключване на мощни потребители на електроенергия) в мрежи високо напрежение. Например включване и изключване на ненатоварен електропровод или трансформатор, големи електрически товари, къси съединения в мрежи ниско напрежение - включване и изключване на индуктивности като трансформатори, дросели, бобини за защити и релета, дълги токови кръгове, искрене, кръгов огън на колектори, контактни пръстени, превключване на домакински уреди, луминесцентни лампи, прахосмукачки и т.н. Амплитудата на тези импулси достига няколко киловолта. По данни на немска застрахователна компания 30% от повреденото електрооборудване се дължи именно на комутационните пренапрежения. По-висок е процентът на повредите, дължащи се на некомпетентна експлоатация на електрооборудването.

Продължително повишаване и понижаване на напрежението
Под продължително се разбира от няколко секунди до няколко десетки минути. Напрежението най-често е в интервала 300 - 340 V при 220 V електрическа мрежа. Най-честата повреда при подобни случаи е прекъсване на нулата в подстанцията (трафопоста), в случай че тя не е коректно проектирана.

Високочестотни смущения
възникват най-често вследствие работата на промишлено електрооборудване. За да се повиши надеждната работа на електрическото оборудване и то да бъде надеждно защитено от подобни смущаващи фактори, е необходимо да се вземат комплекс от защитни мерки. Причините за настъпване на повреди са разнообразни, като електромагнитните интерференции са сред най-важните. Необходимо е да се планират и реализират предварителни мерки за защита, които да намалят риска от появата на интерференции, аварии и разрушаване на оборудването. По данни на застрахователни компании, повече от 25% от всички аварии са предизвикани от импулсни пренапрежения вследствие на електромагнитни интерференции.

Какво представлява електрическата мълния?
Електрическата мълния е следствие от електрическо изпразване (разряд) между различно заредени повърхности в природата.  Например облак и земната повърхност, между два и повече облака, заредени с различни потенциали и дори, много често, между различни части на един и същи облак. Мълниите биха могли да се образуват и от торнадо, вулканични изригвания и пясъчни бури. Също така и ако един облак, зареден с положителен заряд се доближи до облак, зареден с отрицателен заряд се наблюдава мълния. За възникване на мълния е необходимо в относително малък обем от облак да се образува електрическо поле с интензитет, достатъчен за образуване на електрически разряд (~ 1 МV/m), а в значителен обем от облака да се създаде поле със среден интензитет, достатъчен за поддържане на започналия разряд (~ 0,1-0,2 МV/m).
Мълниите се генерират в т.нар. буреносни клетки, които в определени случаи биха могли да достигнат до няколко километра. Всяка клетка е активна за период до 30 минути и генерира от 2 до 3 мълнии за минута. Тези клетки често достигат височина до 10 километра, като долният видим край на клетката, изградена от облаци, е на височина между 1 - 2 километра. В центъра на буреносната клетка се създава силен възходящ въздушен поток, който съдържа както положителни, така и отрицателни заряди. Положителните заряди обикновено се свързват със сухите въздушни маси, които са в най-високата част на клетката, а отрицателните - с водните капки в долната част на клетката. В същото време, земната повърхност е заредена с положителни заряди. През летния период такива буреносни клетки се създават вследствие придвижването на големи въздушни маси, като честотата на бурите зависи от сезона. Статистиката показва, че през летния период в северното полукълбо мълниите са приблизително пет пъти повече в сравнение със зимните месеци. Предпоставки за възникването на мълинии е и глобалното затопляне.

Как се определя рискът от мълнии?
Съществува параметър, на основата на който се определя рискът от появата на мълнии. Това е т.нар. интензивност на мълниевата активност, или честота на паднали мълнии на квадратен километър за една година. За нашите географски ширини параметърът е от 2 до 8 мълнии на квадратен километър за година. За информация за субтропичен или тропичен климат, параметърът е между 30 и 70 мълнии на квадратен километър за година.
Електрическата природа на мълниите е била доказана в изследванията на американския физик Бенджамин Франклин. Известен е неговият опит да извлече електричество от буреносен облак.
Средната дължина на мълниите е 2,5 км. Някои от тях обаче достигат до 20 км.
Мълниите са два основни вида  - линейна и кълбовидна. Кълбовидната мълния е атмосферен феномен. Тя е изключително рядко явление, което представлява концентриран електричен заряд със сферична форма. Появява се предимно в края на гръмотевична буря. Има диаметър от 20 см до няколко метра и неясни граници, понякога обкръжени от синкав ореол. Средното й време на живот е от 5 секунди до 2 - 3 часа.

Статията продължава в следващ брой на ТД Инсталации, оборудване, инструменти.