Тема: Электромагнитные влияния нестационарных источников и методы защиты
Нестационарные источники – это импульсные источники влияния, их ток влияния изменяется во времени,
Характерные примеры нестационарных источников – грозовые разряды, токи короткого замыкания контактных сетей и ЛЭП.
Рассмотрим влияние грозовых разрядов
Поскольку кабельные линии имеют большую протяжённость, то грозовой разряд, возникающий в одном районе, вызывает импульсные перенапряжения по всей трассе кабельной линии и может привести в повреждению как изоляции самого кабеля, так и элементов аппаратуры автоматики и связи. Обычно повреждаются:
· поясная изоляция кабеля
· изоляция между жилами
· металлопокровы кабеля
· выходят из строя в усилительной аппаратуре микросхемы, транзисторы, тиристоры, диоды и др.
Для грамотного выбора элементной базы и построения схемы защиты необходимо знать основные свойства и параметры грозового воздействия.
По своему характеру грозы делятся на два типа:
· фронтальные – возникают в результате встречи фронта холодного и тёплого воздуха;
· тепловые – возникают вследствие неравномерного нагрева атмосферы на различных высотах.
Рассмотрим физику воздействия грозового облака на линейные сооружения.
Установлено, что грозовое облако движется со скоростью Vср=40…60 км/ч.
Под действием заряда Qоб (отрицательного) на поверхности земли возникает положительный заряд. Напряжённость поля под грозовым облаком постоянно растёт и достигает критического значения E»10 кВ/см. При такой напряжённости в сторону земли от грозового облака начинает протекать лидерный ток–сравнительно небольшой по величине ток.
При приближении к объекту разряда в сторону лидерного тока (встречно ему) от него (объекта) начинает протекать встречный ток. При замыкании лидерного тока и встречного тока начинается главный разряд линейной молнии.
При главном разряде происходит процесс нейтрализации заряда облака и земли. Плазменный канал молнии постепенно исчезает, но это происходит не сразу, а в течение некоторого промежутка времени. Это промежуток времени получил название финальной стадии грозового разряда.
Попадая в объект – сооружение автоматики и связи, энергетики, грозовой разряд вызывает вначале электрический пробой, а затем – термическое разрушение.
На основании тока грозового разряда можно привести зависимость.
I стадия – лидерная
II стадия – главный разряд
III стадия – финальная (послесвечение)
(Ток лидера происходит в главной стадии)
Из исследований установлено, что разряд состоит из нескольких компонент, причём вторая и третья компоненты не содержат лидерного тока. Для выбора элементов защиты нужно знать параметры воздействующего импульса. В связи с тем, что грозовой разряд является случайным событием, его параметры оцениваются вероятностными характеристиками:
1. вероятность появления амплитуд тока определённой величины
2. вероятность появления крутизны нарастания тока
3. вероятность появления фронта тока
4. вероятность появления времени спада тока грозового разряда
Обычно строят временной график тока главного разряда
Строят графики вероятностных характеристик
Вывод: средневероятностная характеристика тока грозового разряда лежит в пределах 35¼45 кА. Эти значение используются для расчёта элементов защиты.
Вероятность появления времени фронта:
Средневероятностное время 40 мкс.
Говорят, что существует стандартная волна грозового разряда.
Числитель для определения быстродействия элементной базы, знаменатель для определения пропускной способности элементов защиты.
Крутизна нарастания тока
Средневероятностная крутизна нарастания тока 15¼25 кА/мкс. Крутизна нарастания тока определяет уровень наведённных напряжений.
Параметры тока I меняются в шиорких пределах. При ориентировании на Imax tmax мы получаем значительные экономические затраты. Если мы будем ориентироваться на минимальные значения, мы получим недозащиту и как следствие– большие затраты на ремонт линейных сооружений. Поэтому ориентируются, как правило, на средние характеристики.
Мероприятия по защите от грозовых разрядов
Для защиты от грозовых разрядов используют элементную базу, которая имеет пороговое напряжение срабатывания. Основной элемент схем защиты–различные виды газонаполненных разрядников. Включение по схеме “провод - провод” и “провод - земля”.
Основы защитного действия разрядника – преобразование электрического поля опасного своим высоким потенциалом в магнитное поле, которое характеризуется низкими потенциалами относительно земли или другого последнего провода.
При составлении или разработки схем защиты от гроз, разрядов основным является определение параметров газонаполненного разрядника.
Основные параметры газонаполненного разрядника:
1. Uст – статический коэффициент зажигания
2. Uдин – динамическое напряжение зажигания
3. tз – время запаздывания
4. tотн – относительное время запаздывания пробоя
5. Uпог – напряжение погасания пробоя
6. Iпр – пропускной ток
7. Cэл– ёмкость электродов
· Uст – статический коэффициент зажигания
Напряжение, при котором возникает дуговой разряд между электродами, если к разряднику прикладывается постоянное или медленно меняющееся напряжение. Иногда это напряжение называется напряжение показывается в марке разрядника. (Р-350)
· Uдин – динамическое напряжение срабатывания
Напряжение срабатывания разрядника, если на разрядник поступает линейно нарастающее или импульсное напряжение. Обычно Uдин>Uст.
· tз – время запаздывания
То время, на которое запаздывает дуговой разряд между электродами при подаче напряжения.
Параметры Uдин, Uст, tз связаны между собой аналитической зависимостью:
- крутизна нарастания напряжения.
Для определения динамического напряжения срабатывания строят график вольт-секундной характеристки разрядника.
На разрядник подают линейно-нарастающее напряжение.
Для выбора типа разрядника на вольт-секундную характеристику накладывают вольт-секундную характеристику аппаратуры (защищаемое оборудование связи и автоматики); при этом можно получить различные варианты защиты с их помощью.
Область А – пробивается разрядник, защищается аппаратура.
Область Б – пробивается оборудование, происходит защита разрядника
Область Б – область недозащиты или неправильного выбора разрядника
Область А – недозащита или неправильный выбор элементной базы.
Из графиков следует, что при правильном выборе элементной базы для защиты оборудования связи и автоматики необходимо сделать так, чтобы вольт-секундная характеристика оборудования была всегда выше графика вольт-секундной характеристики разрядника – принцип координации изоляции.