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.