Молния и атмосферное электричество

Молнии являются одной из распространенных причин нежелательных перенапряжений, сбоев и отказов в системах автоматизации. Заряд, накапливаемый в облаках, имеет потенциал величиной около нескольких миллионов вольт относительно поверхности Земли и чаще бывает отрицательным. Направление тока молнии может быть как от земли к облаку, при отрицательном заряде тучи (в 90% случаев), так и от облака к земле (в 10% случаев). Длительность разряда молнии составляет в среднем 0,2 с, редко до 1…1,5 с, длительность переднего фронта импульса - от 3 до 20 мкс, ток составляет несколько тысяч ампер, до 100 кА, температура в канале достигает 20 000 ˚С, появляется мощное магнитное поле и радиоволны [Vijayaraghavan]. Молнии могут образовываться также при пылевых бурях, метелях, извержениях вулканов. При разряде молнии появляется несколько импульсов (рис. 3.64). Крутизна фронта в последующих импульсах гораздо больше, чем в первом (рис. 3.65).

Частота поражения молнией зданий высотой 20 м и размерами в плане 100х100 м составляет 1 раз в 5 лет, а для зданий с размерами порядка 10х10 м - 1 попадание за 50 лет [РД]. Количество прямых ударов молнии в Останкинскую телебашню высотой 540 м составляет 30 ударов в год.

Инструкция [CO] устанавливает 4 уровня надежности защиты зданий и сооружений от молнии. Самый высокий, 1-й уровень защиты, имеет надежность 0,98, самый низкий - 4-й имеет надежность защиты 0,8. При расчете воздействий молнии на объекты используют параметры, указанные в табл. 3.22 [CO]. Крутизна переднего фронта импульса тока молнии нормируется как интервал времени между уровнями тока 30% и 90% от максимального значения.

Форма импульсов тока молнии описывается выражением [CO]

(3.2)

Рис. 3.64. Типовая форма импульса тока при разряде молнии [Vijayaraghavan]

где - максимум тока; - корректирующий коэффициент; - время; - постоянная времени фронта; - постоянная времени спада.

Параметры, входящие в эту формулу, приведены в табл. 3.23 [CO]. Они соответствуют наиболее сильным молниевым разрядам, которые встречаются редко (менее чем 5% случаев [Vijayaraghavan]. Токи величиной 200 кА встречаются в 0,7...1% случаев, 20 кА - в 50% случаев [Кузнецов]).

Зависимости первого импульса тока молнии и ее производной от времени, построенные по формуле (3.2), показаны на рис. 3.65. Обратим внимание, что масштабы по времени на графиках различается в 10 раз и что масштаб указан логарифмический. Максимальная скорость нарастания (первая производная) первого импульса составляет 25 кА/мкс, последующих импульсов - 280 кА/мкс.

Скорость нарастания тока используется для расчета величины наведенного импульса в кабелях систем автоматизации.

На рис. 3.66 показана спектральная плотность мощности тока помехи. Поскольку эффективность экранирования электромагнитной помехи существенно зависит от частоты [Барнс], приведенные графики спектральной плотности мощности позволяют обоснованно выбрать толщину и материал электромагнитного экрана.

Для защиты от прямого удара молнии используют молниеотводы, которые состоят из штыря (молниеприемника), находящегося над зданием, заземлителя и соединяющего их проводника. Обычно используют несколько молниеприемников и систему заземлителей [CO, РД]. Система молниеотвода образует низкоимпедансный путь для прохождения тока молнии на землю, минуя структуры здания. Молниеотвод должен находиться как можно дальше от здания, чтобы ослабить эффект взаимной индукции, и в то же время достаточно близко, чтобы защитить здание от прямого попадания молнии. Для зданий с большой площадью крыши молниеотводы устанавливают на крыше и соединяют между собой и с заземлителем стальными полосами. Заземлитель молниеотвода выполняют отдельно от защитного заземления здания, но электрически соединяют с ним с целью выравнивания потенциалов и устранения возможных искрений [РД].

Табл. 3.23. Параметры формулы (3.2)
Параметр	Первый импульс для уровней защиты	Последующие импульсы для уровней защиты
I	II	III, IV	I	II	III, IV
, кА					37,5
	0,93	0,993
, мкс	19,0	0,454
, мкс

Ток молнии, проходя по земле, создает на ней падение напряжения, которое может вывести из строя драйверы сетевых интерфейсов, если они не имеют гальванической развязки и расположены в разных зданиях (с разными заземлителями).

a)	б)
Рис. 3.65. Зависимость тока первого (а) и второго (б) импульса молнии и его производной от времени

В линиях электропередачи разряд молнии принимается на экранирующий провод, который отводит молнию в землю через заземлитель. Экранирующий провод протягивают над фазовыми проводами, однако на фазовых проводах наводится импульс э.д.с. вследствие явления электромагнитной индукции. Этот импульс проходит на трансформаторную подстанцию, где ослабляется искровыми разрядниками. Остаточный импульс проходит в потребительскую линию и через силовой трансформатор - в цепи заземления систем автоматизации (рис. 3.5).

На системы автоматизации молнии воздействуют не путем прямого попадания, а через электромагнитный импульс, который вследствие явления электромагнитной индукции может привести к пробою изоляции устройств гальванической развязки и пережечь провода малого поперечного сечения [Zipse], а также вывести из строя микросхемы.

Вторым природным явлением, связанным с грозой, является атмосферное электричество. Электрический потенциал грозового облака во время дождя может составлять десятки миллионов, до 1 млрд. Вольт. Когда напряженность электрического поля между облаком и поверхностью земли достигает 500…1000 В/м, начинается электрический разряд с острых предметов (мачты, трубы, деревья и т. п.). Во время разрядов молнии напряженность поля может резко менять свое направление.

Высокая напряженность поля, вызванная атмосферным электричеством, может наводить потенциалы величиной в несколько тысяч Вольт в "плавающих" цепях с высоким сопротивлением изоляции на землю и приводить к пробою оптронов в модулях гальванической развязки. Для защиты от атмосферного электричества гальванически изолированные цепи, не имеющие низкоомного пути на землю, должны быть помещены в заземленный электростатический экран или соединены с землей через резистор сопротивлением 0,1...1 МОм (см. раздел "Исполнительное оборудование и приводы"). В частности, атмосферное электричество является одной из причин, по которым промышленные сети прокладывают экранированным кабелем. Экран нужно заземлять только в одной точке (см. раздел "Экранирование сигнальных кабелей").

Следует отметить, что молниеотводы, служащие для защиты от прямого удара молнии, не могут существенно уменьшить напряженность электрического поля атмосферных зарядов и никак не защищают аппаратуру от мощного электромагнитного импульса во время грозы.