1.2 Угроза от разрядов молний
1.2.1 Виды опасных воздействий молнии
Непосредственная и очевидная опасность от молний – это возможные взрывы и пожары, разрушения, травмы и гибель людей и животных, повреждения электрического и электронного оборудования.
Воздействия молнии принято подразделять на две основные группы: Первичные, вызванные прямым ударом молнии; вторичные, индуцированные ее разрядом или занесенные в объект протяженными металлическими коммуникациями.
Прямой удар молнии вызывает следующее воздействие на объект:
›› Электрическое, связанное с поражением людей или животных электрическим током и появлением перенапряжения в несколько мегавольт на пораженных элементах, в том числе опасные напряжения шага и прикосновения, «перекрытия» на другие объекты;
›› Термическое, связанное с резким выделением теплоты при прямом контакте канала молнии с объектом и при протекании молнии через объект. В 95% случаев эта энергия на два-три порядка превышает энергию воспламенения большинства газо- и пыле-воздушных смесей, используемых в промышленности. Прямой контакт с каналом молнии может привести к проплавлению корпусов взрывоопасных установок и вызвать пожары и взрывы;
›› Механическое, обусловленное мощной ударной волной, распространяющейся от канала молнии, и электродинамическими силами, действующими на проводники с токами молнии. Это воздействие может быть причиной механических разрушений объектов, например, сплющивания тонких металлических трубок.
Вторичные проявления молнии связаны с действием на объект электромагнитного поля от близких разрядов. Обычно это поле рассматривают в виде двух составляющих: первая обусловлена перемещением зарядов в лидере и канале молнии (электростатическая индукция), вторая – изменением тока молнии во времени (электромагнитная индукция).
Электростатическая индукция проявляется в виде перенапряжения (до сотен киловольт), возникающего на металлоконструк-
циях объекта, и зависящего от тока молнии, расстояния до места удара и сопротивления заземлителя.
Электромагнитная индукция связана с наведением в металлических контурах ЭДС величиной в несколько десятков киловольт. В местах сближения протяженных металлических конструкций, в разрывах незамкнутых контуров создается опасность перекрытий и искрений.
Еще одним видом опасного воздействия молнии является занос потенциала по вводимым в объект коммуникациям (кабелям, наземным и подземным конструкциям, трубопроводам, проводам воздушных линий).
1.2.2 Угрозы для людей
Как уже говорилось, молния и сопутствующее перенапряжение представляют большую опасность для людей и имущества, нанося ежегодно большой ущерб. Поэтому так важны меры по молниезащите – как внешние, так и внутренние, которые предохраняют людей от смертельной опасности, а здания и электрооборудование – от пожаров, аварий и разрушений.
Самая очевидная и прямая угроза для человека от удара молнией (кроме прямого попадания) возникает при попадании молнии в здание, дерево или даже землю рядом с человеком. Во-первых, возможно поражение контактным напряжением прикосновения или перекрытия.
Во-вторых, при ударе возникает так называемая воронка потенциалов, где по мере удаления от места входа тока происходит снижение потенциала напряжения в земле (рис. 1.2.1).
Рис. 1.2.1 - Воронка потенциалов и шаговое напряжение
За счет разных потенциалов, даже при небольшой разнице в расстоянии, возникает шаговое напряжение Uш, в результате чего человек подвергается опасности поражения током, проходящим через тело (аналогичная опасность возникает при обрыве высоковольтного провода и его контакте с землей).
1.2.3 Угрозы для зданий, установок, электронных систем
При ударе молнии в здание или линию электропередачи существует опасность, обусловленная высоким контактным напряжением – поэтому все расположенные внутри и снаружи здания металлические компоненты необходимо заземлять и соединять с системой уравнивания потенциалов, чтобы устранить эту опасность. В противном случае, при отсутствии защиты, прямой удар молнии приводит к «выгоранию» всей бытовой и офисной техники, пробою и повреждениям в электрической сети, в самом электрооборудовании, риску пожара и поражения людей током.
Однако опасность представляют не только прямые удары молнии, которые могут привести к механическим повреждениям конструкций, поражению людей, пожару или выходу из строя всех электрических систем, а также различные перенапряжения, которые могут быть вызваны даже межоблачными ударами молний (повреждения от перенапряжения после удара молнии возможны в радиусе до 2 км). При грозовых явлениях за короткие промежутки времени образуется большое количество энергии, в металлических элементах конструкций и коммуникациях возникают индуцированные перенапряжения, которые многократно превышают сетевое напряжение; при превышении значения пробивной прочности электрических систем это приводит к пробою изоляции проводников и оборудования – вплоть до необратимых разрушений.
При этом самыми чувствительными к импульсам перенапряжения являются оснащенные всевозможными системами АСУ современные промышленные установки и всевозможное оборудование наблюдения и контроля (например, система контроля за состоянием воздуха на химическом производстве). Удара молнии в окрестностях и сопутствующего «броска» напряжения в электрических сетях достаточно, чтобы вывести эти системы из строя: как следствие – сбой в работе промышленного оборудования, остановка производства, возможная потеря данных, угроза жизни и здоровью людей, сложный и длительный ремонт – все это убытки для предприятия.
Такую же опасность перенапряжения несут и для информационных сетей, предназначенных для обмена информацией в режиме реального времени. Массивы разнообразных и важнейших данных, чувствительных к внешнему воздействию, требуют надежно функционирующих путей передачи и устройств хранения. Угрозу несет опять-таки не столько прямой удар молнии, сколько индуктивное перенапряжение, обусловленное даже удаленными грозовыми разрядами, или коммутационные процес.
Возникающие пиковые напряжения проникают в информационную сеть по всем видам проводящих соединений, и жизненно важные компьютерные системы и устройства – пожарная сигнализация, видеонаблюдение, системы безопасности, учета, контроля, управления, жизнеобеспечения (медицинское оборудование в больницах) – выходят из строя, приводя к непоправимым последствиям и нанося большой урон.
1.2.4 Разновидности перенапряжений
• Переходные перенапряжения – это кратковременные (в пределах миллионной доли секунды) повышения напряжения, которые могут многократно превышать номинальное сетевое напряжение. К переходным перенапряжениям не относятся постоянные перенапряжения, возникающие при недопустимых условиях в электросети.
• Коммутационные перенапряжения – возникают при нормальных (оперативных) включениях и отключениях, изменениях нагрузки в электрической сети. Как правило, это единовременное включение или отключение мощных электромоторов (или иного оборудования с большими индуктивными элементами или мощными конденсаторами). Также такие перенапряжения возникают при авариях (замыканиях на землю, КЗ, обрывах проводов и др.). Как правило, коммутационные перенапряжения превышают рабочее напряжение в 2-3 раза.
• Грозовые (атмосферные) перенапряжения дают многократно превышающие номинальный уровень пики напряжений в низковольтном выводе к потребителю и обусловлены непосредственными разрядами молний (могут в сотни раз превышать номинальное напряжение). При появлении грозового перенапряжения изоляция электрических проводников и оборудования не может выдержать столь высокого напряжения и пробивается, вызывая мгновенный выход оборудования из строя.
• Индуктивные перенапряжения появляются вследствие резкого изменения электромагнитного поля и могут возникнуть от удара молнии в землю рядом с линией электропередач. При этом значение перенапряжения, несмотря на его кратковременность по сравнению с другими типами перенапряжений, может многократно превышать номинальное рабочее напряжение.
Такое перенапряжение опасно для электрических приборов, подключенных к сети, электрических и силовых подстанций. Электрические импульсы индуктивного перенапряжения могут распространяться на значительные расстояния.
• Квазистационарные перенапряжения в сети могут продолжаться от нескольких секунд до нескольких минут и могут быть опасны для оборудования, подключенного к сети. Квазистационарные перенапряжения возникают по следующим причинам:
›› появление опасного резонанса в электрической сети;
›› при коротких замыканиях в сети;
›› при аварийном увеличении скорости электрогенератора в случае резкого падения значения нагрузки в сети;
›› при появлении эффекта феррорезонанса в сетях с мощными индуктивными катушками или магнитопроводами.
1.2.5 Последствия перенапряжений
Прямой удар в наружный молниеотвод или низковольтную воздушную линию без внутренней защиты от молний и импульсных перенапряжений приводит к повреждениям изоляции и полному выходу из строя оборудования подключенных потребителей.
Электрические токи молнии с большим запасом энергии приводят к мгновенному разрушению незащищенного оборудования.
Коммутационные и индуктивные перенапряжения могут не только привести к выходу из строя технического оборудования, но и всевозможных компьютерных систем управления и жизнеобеспечения, что по последствиям не уступает непосредственному прямому удару молнии.
Для защиты и от коммутационных, и от грозовых (атмосферных) перенапряжений с большим запасом энергии необходимо устанавливать соответствующие системы защиты от молний и перенапряжений.
При небольших, но длительных перенапряжениях выход оборудования из строя происходит по истечении некоторого времени, поскольку в результате таких перенапряжений компоненты оборудования подвергаются преждевременному старению и замедленному процессу разрушения. В зависимости от точной причины и места возникновения перенапряжения требуются
различные меры защиты – автоматические выключатели, реле напряжения, реле переключения фаз и т.п.
Кроме того, часто могут возникать относительно слабые перенапряжения в виде помех, обусловленные высокочастотными источниками или сетевыми авариями – они не выводят из строя само оборудование, но искажают данные, передаваемые по сетям. В этом случае необходимо устранить источники помех или установить соответствующие сетевые фильтры.