БЛИСКАВКОЗАХИСТ
Внутрішній блискавкозахист
_____________________________________________________
У споруді, яка зазнала прямого грозового ураження, повстає ціла низка загрозливих явищ, протистояти яким покликаний внутрішній блискавкозахист — система запобігання вторинним проявам блискавки, або захисту від перехідних напруг. Хай би яким низьким був електричний опір заземлюючого пристрою, струм блискавки у десятки кілоампер створює на ньому падіння напруги у десятки кіловольт. З цієї причини лише близько 50% імпульсного струму розпливається у землі, в той час як ще 50% намагається проникнути досередини споруди всіма доступними шляхами. Додайте до цього комутаційні імпульси, що виникають у мережах живлення внаслідок підключень/відключень пристроїв, які мають значну реактивність (трансформатори, повітряні лінії електропередач, довгі лінії люмінесцентних світильників тощо). Усім добре відомі коливання напруги в мережі, коли в ній працює зварювальний апарат, до того ж «засмічуючи» її пачками високочастотних імпульсів. Не краще поводяться з мережею й інші електроприлади сумнівного походження, що так приваблюють вітчизняних інвесторів своєю низькою ціною. Кратність амплітуди імпульсів перенапруги, споводованих блискавками, сягає 25…30, а комутаційних — 18…22. Особливо потерпають мережі передачі даних, розраховані на низьку робочу напругу.
Саме електронні пристрої і мережі, призначені для опрацювання інформації, непомітно, але щодалі щільніше заповнюють наше середовище. Замініть у своїй уяві міські світлофори на регулювальників, електронні перепустки на «вертушку» з вахтером, автоматизовані парковки на набридливих хлопців — таке зручне і звичне життя враз перетвориться на плетиво проблем. Розквіт нанотехнологій супроводжується зменшенням робочих напруг електроніки, що викликає підвищену її чутливість до зовнішніх електромагнітних впливів. Утворюються чергові «ножиці» (рис. 19), готові відітнути нам дорогу до омріяного світлого майбутнього.
Науково-технічна спільнота відповідає на цей виклик підвищенням уваги до питань електромагнітної сумісності: досить проглянути розділ «Electromagnetic compatibility» у випусках «Just Published» на сайті МЕК (http://www.iec.ch/online_news/justpub/). «Підставляє плече» і страховий бізнес, за даними якого (рис. 20) пошкодження електричних/електронних засобів внаслідок прямих і близьких ударів блискавок є найвагомішою причиною відшкодування збитків (в Україні ризики пошкодження електронних засобів поки що не страхують, підозрюючи страхувальників у недобросовісності).
Найпершим заходом з поліпшення «електромагнітного клімату» в об’єкті є встановлення головної шини зрівнювання потенціалів (ГШЗП). Найчастіше її розміщують у ввідному пристрої, забезпечуючи коротке низькоомне з’єднання із заземлювачем. До ГШЗП приєднуються всі металеві комунікації, які входять до споруди і не є під напругою, як от: водогін, каналізація, паливо/теплопровід, броня/екрани кабелів живлення і передачі даних, доступні металеві конструкції. З міркувань електромагнітної сумісності (ЕМС) бажано влаштовувати ввід усіх комунікацій такого роду в одній зоні, а саме поблизу ГШЗП. Контакт із трубами і оболонками/екранами забезпечується спеціальними клемними хомутами (рис. 21). Для тих, кому ці вимоги видаються надто складними для реального виконання, наведу рекомендації щодо безпечного вводу комунікацій, які довелося побачити в одному посібнику з ЕМС. Отже, у цьому місці належить встановити сталеву плиту 10 мм завтовшки, в яку вварено кільцевим швом відрізки сталевих труб (для пропуску крізь них інженерних комунікацій) таким чином, що вони виступають з плити на 100 мм з кожного боку, причому труби розташовано не ближче ніж за 100 мм від краю плити. Плита у свою чергу приварюється до сталевої арматури стіни споруди, крізь яку здійснюється ввід комунікацій.
Як вже згадувалося, удар блискавки у близький предмет (дерево, відокремлений блискавкоприймач, висока споруда) загрожує затіканням часткового струму блискавки, який розходиться від місця удару тими шляхами, які мають найменший опір (рейки, металеві комунікації, кабелі живлення і передачі даних). Тому підземні частини кабельних трас рекомендується екранувати сталевою арматурою з коміркою 15×15 см, приєднуючи її до системи зрівнювання потенціалів, чи прокладати в сталевих трубах/закритих сталевих каналах. Навіть атмосферний розряд типу «хмара-хмара» поводує наведення перенапруг і протікання надструмів у всіх протяжних провідних комунікаціях. І тут система зрівнювання потенціалів допомагає зредукувати дію імпульсного електромагнітного поля. Той, хто користувався мобільником у зоні непевного прийому сигналу, знає, що достатньо вийти з авто або піднести телефон ближче до вікна, щоби зв’язок поліпшився. Аналогічним чином всі металеві контури (рами дверей і вікон, каркаси фасадних систем, підвісних стель, фальшпідлог) екранують імпульсне поле, оберігаючи внутрішні комунікації від небезпечних наводок. За даними спостережень, найбільш уражуваною є апаратура, яка приєднана одночасно до різних мереж. Класичний приклад — факсовий апарат, де живлення і телефонна лінія, підведені з різних напрямків, утворюють контур (петлю), в якій наводяться імпульси перенапруги, здатні пошкодити пристрій. Запобіжним заходом є прокладання обох ліній таким чином, щоби гранично зменшити площу петлі (паралельно в одному кабель-каналі з повздовжньою розділювальною перегородкою). Надійною перепоною на шляху розповсюдження електричних імпульсів в лініях передачі даних є оптопари (щоправда, слабким місцем залишаються схеми живлення цих оптопар).
Нетерплячий читач може дорікнути автору: «А розрядники (грозорозрядники, імпульсопротектори, обмежувачі перенапруг, мережеві фільтри)?! Чому про них не згадується?» Згадаємо, але після того, як викладемо концепцію [6] зон захисту від блискавки (ЗЗБ, LPZ — Lightning Protection Zone), що дає змогу оцінити, які саме імпульси можуть потрапляти у мережі і устаткування, і на цій підставі визначити, якого саме захисту вони потребують.
На рис. 22 видно, що у ЗЗБ 0A можливий безпосередній контакт устаткування з каналом блискавки. І хоч у ЗЗБ 0B такий контакт є маловірогідним, проте електромагнітне поле нічим не ослаблене. Натомість ЗЗБ 1 характеризується значним зменшенням поля завдяки:
• екрану (сталева арматура бетону, каркас фасадної системи тощо), який приєднано до ШЗП;
• обмежувачам перенапруг (ОПН) на всіх електрокомунікаціях у місцях їхнього перетину з екраном.
Наступна ЗЗБ 2 оточена ще одним екраном з обов’язковим приєднанням до ШЗП і встановленням ОПН, які мають позначення ОПН 1/2 (див. рис. 22), тобто захист ліній на переході з ЗЗБ 1 у ЗЗБ 2. За додержання цих двох умов навіть металевий корпус стойки у серверній правитиме за додатковий екран.
ОПНам на межі зон «0» і «1», які першими зустрічають потужний імпульс струму, у відповідності із [7] присвоєно Тип 1. Вони здатні проводити імпульсний струм 10/350 (див. рис. 2 ч. 1) амплітудою порядка 25–50 кА і застосовуються у тих випадках, коли слід очікувати затікання до споруди часткових струмів блискавки, а саме:
• є система зовнішнього блискавкозахисту, або
• споруда живиться повітряною лінією (кабельна вставка ≤ 50 м), або
• на даху є заземлене електроустаткування (хоча б трубстойка антени, на присутність якої чомусь не завжди зважають).
На межі зон «1» і «2» досить встановити ОПН Тип 2, які проходять випробування менш потужним імпульсом 8/20.
Озброївшись цими знаннями, погляньте свіжим оком на Ваш об’єкт:
• чи не прокладено лінії живлення надто близько до струмовідводів блискавкозахисту?
• чи достатній проміжок між лініями передачі даних і живлення?
• чи відокремлено лінії, якими прокладено проводи, що підходять до UPS-ів (незахищені), і ті, що відходять (тобто захищені)?
• чи не у сусідні розетки включено комп’ютер і кондиціонер, який виставили у вікно на поталу близьким блискавкам?
• чи заземлено відключені на літній період теплові кабелі обігріву в ринвах на даху?
• чи екранованими лініями живляться декоративні світильники на фасадах?
• чи приєднано до системи зрівнювання потенціалів метал кабельних лотків, каркас підвісної стелі, за якою прокладено лінії передачі даних?
За цих умов Ви зможете правильно розділити простір всередині об’єкта на зони захисту згідно з вимогами [8], обґрунтовано добрати розрядники та ОПНи і розставити їх у критичних точках електромереж. На сьогоднішній день український ринок пропонує достатній вибір приладів для обмеження імпульсних перенапруг, тому зважайте на докладність та ясність порад їхніх виробників щодо добору і схемних рішень та відповідність захисних рівнів нормативним значенням (табл. 7).
Провідні виробники рекомендують комплекс технічних і організаційних заходів з контролю за станом випущених ними приладів у процесі експлуатації для своєчасного виявлення ознак деградації. «Серцем» будь-якого з них є нелінійний елемент, який різко знижує електричний опір за перевищення певної межі напруги і здатний швидко відновити свій попередній опір, коли імпульс минув. Розглянемо три основні типи: повітряні/газові розрядники, варистори і діоди подвійної провідності.
Повітряні розрядники
Пристрій має щонайменше два електроди, розділені повітряним проміжком. Перевищення напруги спрацьовування споводує електричний пробій проміжка і утворення електричної дуги. Амплітуда струму обмежується завдяки падінню напруги на дузі та в приелектродних зонах. По згасанні імпульсу має відбутися гасіння супроводжуючого струму (фактично струму КЗ), для чого дуга інтенсивно охолоджується у дугогасильній камері. Падіння напруги на ОПН під час протікання імпульсного струму і становить той захисний рівень, який відчуває захищувана мережа. За нормованого показника у 4 кВ (див. табл. 7) найкращі з виробників спромагаються знизити перенапруги до 1,2 кВ (одразу в «дамки» від ЗЗБ 0B до ЗЗБ 2), заради чого вдаються до оригінальних методів деіонізації міжелектродного проміжка і пришвидшення обриву супроводжуючого струму. Прилади з такими характеристиками особливо надаються до встановлення у компактних установках, про що докладніше йтиметься далі. Іскрові проміжки сучасних повітряних розрядників випускаються у закритому корпусі, з якого вже не вилітають розпечені гази і плазма. Такі прилади можна встановлювати поряд з іншою комутаційно-захисною апаратурою на стандартній монтажній шині. Наявність повітряного проміжка з надійною ізоляцією гарантує практичну відсутність струму спливу (у режимі очікування), що дозволяє встановлювати повітряні ОПН перед приладами обліку електроенергії. Енергопостачальні організації додають до цього ще деякі вимоги, скажімо, у Німеччині — це норми VDN у редакції 2004 р. (ТAB 2000). У нас електролічильники залишаються сам-на-сам з імпульсами. Спрацьовування повітряних розрядників відбувається у мікросекундному діапазоні, і призначені вони для роботи в умовах великих струмових навантажень (розгалужені мережі, промислові об’єкти) на межі розділу ЗЗБ 0B > ЗЗБ 1.
Газові розрядники мають герметичний корпус, заповнений інертним газом, тиск якого може відрізнятися від атмосферного, а електроди (яких може бути 2 або 3) вкриваються радіоактивним препаратом задля додаткової іонізації проміжка. Ці заходи спрямовані на зниження напруги спрацьовування (тобто поліпшення захисного рівня). Розміри цих приладів здебільшого вимірюються кількома міліметрами, вони не розраховані на великі струми і призначені для вбудовування у вхідні/вихідні тракти електронних пристроїв з метою підвищення їхньої стійкості до імпульсів. Класичний приклад — захист телефонних мереж (рис. 23а).
Деградація повітряних і газових розрядників відбувається внаслідок:
• ерозії електродів, що призводить до зміни характеристик запалювання і гасіння дуги;
• осідання на поверхні ізоляторів часток металу, який дуга вириває з електродів (якщо електроди металеві, а буває що й ні).
Критерій подальшої працездатності — належний електричний опір, який вимірюється у рекомендований виробником спосіб.
Варисторні розрядники і обмежувачі перенапруги
Варисторна «таблетка», вміщена між електродами прилада, має структуру, подібну до ґрунту, де зерна з підвищеною провідністю знаходяться у важкопровідній субстанції. Перевищення напруги спрацьовування ОПН поводує мікроіскровий процес у товщі варистора. Регулювання струму відбувається внаслідок приелектродного падіння напруги на кожному з кінців мікродуг і поглинання тепла «таблеткою». «Спекти» варисторний матеріал із стабільними характеристиками — то справа не з легких, тому відомих європейських виробників «таблеток» можна перерахувати на пальцях. Не меншої кваліфікації потребує розробка варисторного ОПН, здатного пройти нормативні випробування, зручного в монтажі і надійного в експлуатації, та ще й такого, аби мав конкуренцій ні переваги. На відміну від повітряного, крізь варисторний ОПН постійно стікає струм спливу (≤ 1 мА). Окрім того, що його не можна включати перед лічильником, існує загроза перегріву варистора цим струмом, якщо напруга мережі тривалий час перевищуватиме граничну межу, вказану виробником. Надто важко вмонтувати в ОПН надійний механізм захисту від цієї біди, до того ж тривале перевищення напруги є небезпечним також і для споживачів. Тому в неблагополучних мережах варто передбачати стабілізатори або реле максимальної напруги. Тим, кому ця порада видається витребенькою, варто нагадати про північноамериканських колег, від яких місцеві норми вимагають наявності повного комплексу вузлів для захисту мережі споживача від будь-яких можливих пошкоджень пристрою, котрий до цієї мережі має бути підключений! Передові виробники піддають варисторні ОПНи 100%-му контролю, про що свідчить надруковане на корпусі значення напруги, за якої варистором протікає струм у 1 мА. Зменшення цієї напруги у процесі експлуатації є свідченням старіння варистора. Випускаються ОПНи, які мають візуальні, акустичні, світлові і дистанційні покажчики пошкодження варистора. Вони автоматично від’єднуються від захищуваної мережі, аби не зашкодити її функціонуванню. Обачливим рекомендуємо обирати захисні елементи, в яких максимальна робоча напруга (Ue) становить приблизно 1,2–1,5 номінальної напруги захищуваної мережі/апаратури. Зазвичай варисторні ОПНи випускаються у конструктивному виконанні, придатному для закріплення на стандартній монтажній шині.
Спрацьовування варисторних розрядників відбувається у наносекундному діапазоні, і призначені вони для роботи в умовах середніх струмових навантажень (невеликі мережі, односімейні будинки, базові станції мобільного зв’язку тощо). Варисторні ОПНи випускаються не тільки Типу 1 (імпульс 10/350, межа розділу ЗЗБ 0B > ЗЗБ 1), але і Типу 2 (імпульс 8/20, межа розділу ЗЗБ 1 > ЗЗБ 2). Уже випущено у продаж комбіновані пристрої Тип 1+2, здатні надійно захищати лінії, які проходять із ЗЗБ 0B до ЗЗБ 2. Елементи на базі варисторів використовуються як 2-й ступінь захисту вхідних/вихідних трактів електронних пристроїв разом із газовими розрядниками.