Технический бюллетень TNP004 01.04.2009 г. Методика расчета токов растекания

Открыть в формате PDF

Внутренняя молниезащитная система (МЗС), имеющая в своем составе устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) различного назначения, должна обеспечивать отвод индуцированных токов и токов растекания, вызванных атмосферными разрядами и коммутационными процессами в электроэнергетических системах, или их большей части без повреждения самих УЗИП. Для определения величины токов, проходящих через УЗИП в случае прямого удара молнии в объект, защищённый внешней МЗС, необходимо исходить из конфигурации системы заземления и уравнивания потенциалов объекта, а также количества входящих и выходящих коммуникаций (трубопроводов, электропитающих кабелей, кабелей связи и передачи информации и др.).

В качестве классического примера, на Рис. 1 приводится пример распределения импульсных токов в объекте, подвергнутом прямому удару молнии (согласно ГОСТ IEC 61643-12-2022). Распределение предлагается считать, кратно деля ток молнии на количество входящих в объект коммуникаций, при этом считается, что 50% тока, попавшего в МЗС, уходит в систему заземления.

Рис. 1 Распределение токов молнии при прямом ударе в объект с кабельным подземным вводом электропитания

В случаях, когда трудно осуществить точный расчёт, осуществляется так называемая квалифицированная оценка, исходящая из следующих рассуждений:

• расчет производится для пикового значения тока I_imp, взятого из Таблицы 2.3 Инструкции СО–153-34.21.122-2003 в соответствии с выбранным уровнем защиты от прямого удара молнии. Например, для объектов с первым уровнем защиты I_imp = 200 кA (10/350 мкс);

• 50% от общего тока I_imp = 200 kA (10/350) → I_S1 =100 kA (10/350) отводится в землю через заземляющее устройство внешней МЗС;

• 50% от общего тока I_imp = 200 kA (10/350) → I_S2 = 100 kA (10/350) разделится равномерно (приблизительно по 17%) между наружными вводами в объект, например, трех основных видов коммуникаций: кабелями связи и передачи информации, металлическими трубопроводами и проводами ввода электрического питания 220/380 В.

Таблица 2.3 Инструкции СО–153-34.21.122-2003

Величина тока, проходящего через отдельные вводы, обозначается как I_i, при этом:

I_i=I_S2/n

где n равняется числу вводов. Для оценки тока I_V в отдельных жилах неэкранированного кабеля ток в кабеле делится на количество проводов m:

I_V=I_i/m

Для правильного выбора типа УЗИП и их основных параметров целесообразно руководствоваться следующим правилом:

Расчет необходимо производить исходя из максимального значения импульсного тока I_imp (10/350 мкс) в зависимости от уровня защиты объекта от прямого удара молнии. Далее, для каждого провода системы электропитания определить (по приведенной выше методике) значение импульсного тока формы (10/350 мкс), который может в нем протекать и который должно гарантированно отвести УЗИП класса испытаний I. После этого выбрать УЗИП с некоторым запасом (20-30 %), учитывая возможную неравномерность растекания токов по различным проводникам.

В случае изменения исходных данных, т.е. числа вводов в объект, типа системы электропитания, количества проводов в кабеле и т.д., итоговые значения также могут существенно измениться. При этом изменения могут произойти как в сторону уменьшения импульсных токов, так и в сторону их возрастания. В случае применения экранированных кабелей большая часть токов растекается через экранные оболочки, что лишний раз подтверждает необходимость применения данных кабелей на объектах с повышенными требованиями к защищенности от удара молнии.

Приведенные выше заключения применимы для объектов, оборудованных внешней МЗС и имеющих кабельный подземный ввод электропитания. Ситуация может серьезно усложниться в случае воздушного ввода электропитания. Элементарный расчет показывает, что при прямом попадании молнии с током I_imp = 200 кА (10/350 мкс) и при условии его равномерного распределения по четырем проводам системы TN-C, импульсные токи в каждом проводе будут иметь значения около 50 кА. Стекание этих токов на землю будет осуществляться в две стороны: через оборудование низковольтной стороны подстанции и элементы электроустановки объекта в примерном соотношении 1:1. Таким образом, в каждом проводе на вводе электропитающей установки объекта мы будем иметь ток величиной 25 кА (10/350 мкс). С учётом возможной погрешности это значение может возрасти и до 30 кА (10/350 мкс).

Если предположить, что равномерного растекания токов по какой-то причине не произошло, то это значение может возрасти до 45-50 кА и более.

Из представленных на рынке УЗИП наиболее часто встречаются устройства на основе варисторов с параметром I_imp=12,5 кА, что вполне достаточно для случая подземного кабельного ввода.

В тех случаях, когда требуется защитить воздушный ввод электропитания от импульсных перенапряжений, рекомендуется применять УЗИП комбинированного типа, с варисторами с параметром I_imp не ниже 25 кА и разрядником рассчитан на ток молнии I_imp в цепи N-PE не ниже 50 кА (10/350 мкс).

Данный подбор УЗИП по параметру используемых элементов, подходит при возможности организовать ступенчатую форму защиты согласно зоновой концепции (Технический бюллетень TNP003 20.03.2009 г. Зоновая концепция молниезащиты). В большинстве случаев, для организации надёжной защиты, выбор необходимо осуществлять учитывая особенности электрооборудования, применяемого на объекте.

По классификации стойкости изоляции оборудования к импульсным перенапряжениям (ГОСТ Р 50571.4.44-2019), минимальная стойкость оборудования нагрузки при номинальном напряжении 230/400В по II категории составляет 2,5 кВ (электробытовые приборы и аналогичные по мощности), а для I-ой – 1,5 кВ. (электронные цепи, например компьютеры, бытовая электроника). Данное снижение уровня напряжения не может обеспечить УЗИП I класса испытаний, а реализация ступенчатой защиты не всегда оправдана, либо невозможна в связи с типом и габаритами электроустановки.

Решением данной проблемы, а также для компенсации возможных погрешностей в расчёте равномерности растекания импульса тока по проводам, является применение УЗИП I+II+III класса испытаний серии К2Р СВ30.

В данных устройствах варисторы способны выдержать I_imp (10/350) до 30 кА, а разрядник в цепи N-PE до 100 кА. В них применяются элементы, которые способны выдерживать импульс неослабленного тока молнии и при этом снизить уровень напряжения до уровня безопасного даже чувствительного оборудования.

Литература:
1. ГОСТ IEC 61643-12-2022 «Устройства защиты от перенапряжений низковольтные. Часть 12. Устройства защиты от перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Принципы выбора и применения.
2. СО-153-34.21.122-2003. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».
3. Технические материалы АО «Хакель».