3.7. Защита промышленных сетей от молнии
Во время разрядов молнии появляется сильное магнитное и электростатическое поле, а также резко повышается потенциал земли в области заземления молниеотвода при ударе молнии. Все эти явления приводят к возникновению опасных для аппаратуры напряжений на кабелях промышленных сетей и цепей питания.
3.7.1. 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.
|
|
|
Рис. 3.112. Появление высоких напряжений на элементах гальванической развязки при ударе молнии
|
3.7.2. Средства защиты
Эффективной защитой кабелей от магнитного поля молнии являются стальные трубы (нельзя использовать трубы из нержавеющей стали, которая не является ферромагнитным материалом) [Барнс].
Для защиты от перенапряжений используются газонаполненные разрядники, варисторы, TVS-диоды и TVS-тиристоры (Transient Voltage Suppressor - "подавитель переходных напряжений"). Защитные элементы бывают двух типов: ограничивающие и шунтирующие (закорачивающие). Ограничивающие элементы стабилизируют напряжение в линии на некотором уровне, например, на уровне напряжения стабилизации для ограничивающих стабилитронов (TVS-диодов). Шунтирующие элементы снижают напряжение в линии до напряжения открытого состояния защитного элемента, например, до напряжения на тиристоре в открытом состоянии при защите TVS-тиристором.
В газонаполненных разрядниках при некотором напряжении начинается лавинный пробой в газе и образуется канал с плазмой, имеющий низкое сопротивление. При этом напряжение на разряднике падает, энергия наведенного молнией импульса выделяется в виде тепла в подводящих проводах, на балластном резисторе (если он имеется) и на самом разряднике. Недостатком газовых разрядников является большое время срабатывания (от 0,1 мкс до единиц микросекунд), ограниченный срок службы и низкая надежность, которая связана с возможной разгерметизацией трубки при ее нагреве. Однако газовые разрядники выдерживают очень большой ток, что делает их пригодными для выполнения первой ступени защиты, с напряжением ограничения перенапряжения обычно от 90 В до 1 кВ. Несмотря на низкое быстродействие, газовые разрядники способны рассеять основную часть энергии, пропуская на выход только короткий выброс в начале импульса. Поэтому совместно с газовыми разрядниками в качестве второй ступени защиты используются более быстродействующие элементы - варисторы и TVS-диоды.
Металло-окисные варисторы (MOV - Metal-Oxide Varistor) изготавливаются в форме диска, площадь которого пропорциональна допустимому току. Материалом для изготовления служит порошкообразный карбид кремния и связующее вещество (жидкое стекло, лаки, смолы). Варистор можно упрощенно представить как множество полупроводниковых p-n-переходов, которые включены последовательно и параллельно. Поэтому сопротивление варистора падает с простом приложенного напряжения. Недостатком варисторов является сильная нестабильность напряжения срабатывания во времени и деградация параметров с каждым актом срабатывания. Напряжение срабатывания варисторной защиты лежит в диапазоне от нескольких вольт до 1,5 кВ, ток - от единиц ампер до десятков тысяч ампер, время срабатывания составляет несколько наносекунд.
Наилучшим элементом защиты являются TVS диоды и TVS тиристоры, которые известны также под торговыми марками Trans Zorb, Transil, Insel.
TVS тиристоры представляют собой обычный тиристор со стабилитроном в цепи управляющего электрода. При повышении напряжения на стабилитроне более напряжения стабилизации в управляющий электрод начинает протекать ток, отпирающий тиристор. Открытый тиристор выполняет роль шунтирующего элемента, понижая напряжение в защищаемой линии до 1-2 Вольт. После окончания импульса молнии ток линии становится меньше тока удержания тиристора и он переходит в запертое состояние. TVS тиристоры имеют время срабатывания около нескольких наносекунд.
TVS диоды имеют такую же структуру, технологию изготовления и принцип действия, как обычные стабилитроны (основаны на лавинном пробое p-n-перехода), но спроектированы специально для работы при больших токах малой длительности и имеют малую емкость обратно смещенного p-n-перехода. Благодаря монокристальной кремниевой технологии параметры TVS диодов стабильны во времени. Время срабатывания достигает нескольких пикосекунд. Напряжение срабатывания задается техпроцессом и лежит в диапазоне от 2,8 В до 440 В. Для уменьшения емкости диода, которая шунтирует промышленную сеть, последовательно с TVS-диодом включают обычный кремниевый диод с малой емкостью (около 100 пФ). При отсутствии импульсов перенапряжения оба диода заперты, поэтому линия шунтируется только емкостью диода. TVS диоды изготавливаются двух видов: однонаправленные и двунаправленные (симметричные), состоящие из двух последовательно соединенных диодов, направленных встречно. Время срабатывания у однонаправленных TVS диодов составляет единицы пикосекунд, у двунаправленных - единицы наносекунд. TVS диоды и тиристоры способны рассеивать мощность до нескольких киловатт при импульсе перенапряжения длительностью до 1000 мкс, пропуская ток до тысяч ампер.
|
|
|
|
а)
|
б) |
|
Рис. 3.113. Защита линий интерфейса RS-485 от перенапряжений
|
На рис. 3.113 показаны две схемы построения цепей защиты для промышленной сети на основе интерфейса RS-485. На рис. 3.113-а показана схема на симметричных TVS диодах и двухэлектродных газонаполненных разрядниках. В качестве балластного резистора могут быть использованы позисторы, которые увеличивают свое сопротивление при нагревании протекающим током. На рис. 3.113-б показана аналогичная схема, но с применением несимметричных TVS-диодов и трехэлектродного газонаполненного разрядника. Поскольку балластный резистор включен последовательно с линией передачи, его сопротивление стараются сделать по возможности меньшим.
Частично импульсы перенапряжения можно уменьшить с помощью фильтров на конденсаторах, однако конденсаторы часто представляют собой недопустимо большую емкостную нагрузку для защищаемой цепи.
Устройства защиты разных интерфейсов и цепей различаются напряжением срабатывания (ограничения). Для телефонных линий это напряжение составляет 65 В, для Ethernet - 5В, для сетей на основе интерфейса RS-485 - 7,5 В.
|
