О вторичных воздействиях молнии и борьбе с ними

Прямой удар молнии – явление достаточно редкое. В средней полосе России 1 км² ровной поверхности земли ежегодно принимает на себя всего 3 – 4 разряда молнии. В стержневой молниеотвод типовой высоты в 30 м приходится в среднем не более одного удара молнии за 10 - 15 лет эксплуатации. Если повезет, ваш ничем не защищенный коттедж так и не пострадает от прямого удара молнии за всю вашу жизнь. С реальной опасностью прямого удара приходится считаться, защищая объекты достаточно большой высоты или значительной площади, например, телевизионные вышки территории заводской и жилой застройки или воздушные линии электропередачи. Здесь вероятность прямого воздействия тока молнии действительно значима. В такие сооружения молния может ударять ежегодно и даже десятки раз за грозовой сезон.

Тем не менее, даже проживая в компактном доме, не стоит забывать о молнии. Опасность прямого удара для него действительно невелика, но прямой удар далеко не единственное оружие в арсенале Ильи-пророка. Это он по славянским легендам командует молнией.

Природа электромагнитной наводки

Несколько лет назад за ужином в столовой своего деревянного домика я был ослеплен яркой молниевой вспышкой. Громовой разряд последовал без задержки, - до места удара было никак не больше 100 – 150 м. Телевизор замолк, погас индикатор СВЧ печки.

На нашей улице я старожил. Не поленился обойти соседние дома, чтобы оценить потери. Защитных средств не было ни у кого. Лично я клятвенно обещал домашним смонтировать их в самое ближайшее время, естественно свободное от других забот. Наверное, как к специалисту, молния отнеслась ко мне снисходительно. Сгорела лишь СВЧ печка и телевизионная антенна. Потери соседей были заметнее, - вплоть до 11 электронных приборов в доме на расстоянии не больше 100 м от моего. Более убедительного знакомства с электромагнитными наводками трудно придумать.

О жизни замечательного английского ученого Майкла Фарадея написано десятки книг. Ученый - самоучка, он сделал себя сам, начав работать подсобным лаборантом у известного ученого Гемфри Дэви. В книгах о Фарадее достаточно легенд и трудно отличить правду от правдоподобного вымысла. Одно не вызывает сомнений. Зная, что электрический ток создает магнитное поле, что отклоняет стрелку компаса, Фарадей был убежден, существует и обратное явление, - магнитное поле должно создавать электрический ток. Следовало узнать, как это делается. На поиски ушли годы. Замечательная по своей правдоподобности легенда, говорит о том, что в лаборатории Фарадея на одном столе стояла полая катушка с обмоткой, в которую можно было вводить постоянный магнит, а на другом столе прибор для измерения тока в этой катушке. После ввода магнита, экспериментатор направлялся к другому столу, чтобы посмотреть не возник ли ток. Но тока не было. Вернее, уже не было. Он возникал только во время ввода или извлечения магнита, когда в катушке изменялось магнитное поле.

Наверное, легенда о двух столах с приборами не вполне достоверна. Майкл Фарадей решил проблему, установив закон электромагнитной индукции, и ввел человечество в век электричества. Ну а специалисты по молнии в конце концов узнали об ее дистанционном электромагнитном воздействии.

Оценка уровня электромагнитной наводки

Большинству современных микроэлектронных приборов такую наводку не выдержать. Выполненная оценка интересна и еще в одном отношении. Ее результат по сути дела хоронит отдельно стоящие молниеотводы. Они предписаны в РД 34.21.122-87 как обязательное средство защиты взрывоопасных объектов. Пожарные службы не допускают в них прямого удара молнии. Аргументация проста и понятна. В конструкциях современных зданий практически всегда есть железобетон. Его металлическая арматура, как правило, не сваривается, но крепится проволокой или укладывается внахлест. Контакты при этом надежностью не отличаются. При прямом ударе, растекаясь по арматуре, ток молнии с большой вероятностью может встретить плохой контакт, где возникнет искрение. Искра во взрывоопасном объеме абсолютно недопустима. Отдельно стоящий молниеотвод якобы устраняет такое печальное событие.

Только устраняет ли? Выполненный расчет дает отрицательный ответ. По нормам Инструкции РД 34.21.122-87 минимально допустимое расстояние от отдельно стоящего молниеотвода до защищаемого взрывоопасного объекта может быть всего 3 м. Значит полученную выше электромагнитную наводку надо увеличить в 3,3 раза. Напряжение свыше 12 кВ легко обеспечит искровой пробой промежутка длиной в несколько миллиметров. Для взрыва газовой смеси такого вполне достаточно. Контур же, в котором наводится ЭДС магнитной индукции, может быть составлен из любых проводников, например, для него пригодны стойки лестницы-стремянки или даже случайно сгруженные навалом стальные арматурные стержни. Нет проблем и с искровым промежутком. Для этой цели вполне подходят резиновые прокладки основания стремянки, слой ржавчины на арматурных стержнях, случайное загрязнения или какое –то иное изоляционное покрытие. Как видите, не случайно в Инструкции СО-153-34.21.122-2003 о достоинствах отдельно стоящих молниеотводов даже не упоминается.

Едва ли не самый большой контур образуют провода воздушной линии электропередачи. В традиционном исполнении голые провода линии 0,4 кВ размещаются на расстоянии Δd ≈ 0,4 м друг от друга. При длине линии в сотни метров набирается контур площадью порядка сотни квадратных метров. Оценка наводимой ЭДС в таком контуре не так проста. Во-первых, по мере удаления от точки удара молнии магнитное поле ее тока убывает обратно пропорционально расстоянию. Это совершенно необходимо учесть в расчете. Во-вторых, ток, что формирует опасные воздействия молнии, образуется в ее канале уже после контакта с поверхностью земли или наземным сооружением. Он обусловлен нейтрализацией заряда молнии и проявляется распространением волны, которая в процессе главной стадии движется от земли к облаку со скоростью, сопоставимой со скоростью света. Волна тока, затухая и деформируясь, постепенно заполняет молниевый канал, формируя в пространстве электромагнитное поле. Вряд ли разумно вводить в приближенный оценочный расчет столь сложный источник тока, меняющийся в пространстве и времени. Тем более, что статья претендует лишь на грубую оценку уровня электромагнитной наводки. Проще, да и разумнее оценить наводку сверху, положив для этой цели мгновенное заполнение током канала молнии, и ввести в расчет максимальную крутизну импульса тока, нормированную в нормативных документах (A_i = 2х10¹¹ А/с для I уровня защиты). Учитывая сделанное допущение, для ЭДС магнитной индукции в линии длины l можно получить

где r – минимальное расстояние точки удара молнии от воздушной линии. При выводе формулы предполагалось, что канал молнии вертикален, а контур, образованный проводами линии, пересекается магнитным потоком молнии под прямым углом. Результаты расчета по формуле (2) представлены на рисунке для линии длиной 200 м в зависимости от величины минимального расстояния до точки удара r молнии.

Легко убедиться, что для современной микроэлектронной техники представляют опасность наводки от ударов молнии даже на расстоянии свыше 500 м от воздушной линии электропередачи традиционного исполнения, где амплитуда наведенного напряжения превышает 5 кВ.

Как ограничить электромагнитную наводку

Формула (1) заслуживает внимания еще и тем, что указывает эффективный путь снижения электромагнитной наводки. Если длину линии сократить нельзя, то расстояние между проводами Δd очень даже возможно. А величина наводки прямо пропорциональна этому параметру. В России все большее число линий напряжением 0,4 кВ оснащают проводом СИП. По сути дела, это даже не провод, а кабель с изолированными жилами, пригодный для крепления на опорах линии электропередачи вместо традиционных голых проводов. Его внутренний стальной трос не позволяет провисать проводке при достаточно заметной механической нагрузке.

Продолжая хвалить расчетную формулу (1), время отметить ее полезность и для поиска эффективных путей снижения наводок во внутренних цепях защищаемого сооружения. Там тоже стоит сократить площадь электрической цепи, пронизываемой магнитным потоком от тока молнии, но не менее важно снизить и сам магнитный поток. Для этого ток молнии нужно направить к земле по возможно большому числу путей, распределив его по максимально возможному числу токоотводов, в том числе, естественных. Об эффективности подобного способа снижения электромагнитных наводок не раз говорилось на вебинарах ZANDZ. Как пример, на рисунке показана магнитная обстановка внутри здания с габаритными размерами 50 х 50 м при различном числе токоотводов. В случае одиночного токоотвода напряженность магнитного поля на расстоянии порядка 1 м от него близка к 0,2 A/м, тогда как при использовании в качестве естественных токоотводов металлической арматуры стеклопакетов с шагом 2 м она снижается там более, чем на 2 порядка величины, соответственно ослабляя и уровень электромагнитных наводок. По мере удаления внутренней коммуникации от токоотвода эффект проявляется в еще более полной мере. Очень эффективное средство, а главное, практически бесплатное.

Природа электростатической наводки

Не только ток молнии, но и ее заряд может стать источником электромагнитной наводки. Быстрое изменение электрического поля молнии способно вызвать быстрое изменение заряда, наведенного на каком-то проводнике. Тем самым создается реально значимый ток через заземлитель проводника. Падение напряжение от этого тока на сопротивлении заземления будет воспринято как электрическая составляющая наведенных перенапряжений.

Теперь представьте проводник электрической емкостью С, размещенный над землей на высоте Δh. Это может быть горизонтальный провод (например, антенна), металлический корпус какого-то агрегата или строительная конструкция. На его поверхности электрическое поле лидера нисходящей молнии в результате электростатической индукции наведет заряд

ΔQ = ΔhEC,

где C – электрическая емкость проводника. После удара молнии в землю, когда заряд ее канала нейтрализуется и электрическое поле исчезает, наведенный заряд стекает с проводника в землю через сопротивление заземления R_з. Ток от стекающего заряда создаст падение напряжения на проводнике относительно земли. Это может быть вполне приличная величина. Если, например, проводящий объект емкостью C = 1000 пкФ (провод длиной около 100 м) подвешен на высоте Δh = 10 м в поле E= 100 кВ/м, то наведенный заряд составит ΔQ = 10 х 10⁵ х 10^-9 = 0,001 Кл. Во время главной стадии молнии при нейтрализации приземной части канала молнии за время Δt ≈ 1 мкс по сопротивлению заземления проводника протечет ток i_em> ≈ Q/Δt > = 0,001/10^-6 = 1000 А, который вызовет падение напряжения на сопротивлении заземления Rз = 10 Ом величиной

U_эл = i R_з = 1000х10 = 10 кВ –

вполне весомая величина для любого современного микроэлектронного устройства.

Как ограничить электростатическую наводку? Последняя арифметическая операция открывает едва ли не самое простое средство ограничения электростатической наводки. Она пропорциональна сопротивлению заземления. Снижая его величину, удается в той же степени ограничить и наведенное перенапряжение. Часто это не представляет особых проблем и легко реализуется.

Об одной практической рекомендации из Интернета

Это очень конкретная рекомендация, - ее автор предлагает выключать из электрической сети все электронные приборы еще до непосредственного приближения грозы. Вполне конкретно и пояснение. Приближающееся грозовое облако своим электрическим полем наводит на любом наземном сооружении электрический заряд. Первый же разряд молнии быстро разряжает грозовое облако и наведенный заряд столь же быстро стекает в землю, создавая опасное напряжение на заземлителе объекта. Легко убедиться, что в целом картина не отличается от рассмотренной выше. Только вместо заряда и электрического поля лидера молнии здесь фигурирует заряд и поле грозового облака. Что же касается расчетных формул, то все они тоже справедливы, правда при других количественных значениях параметров. Мало изменится только электрическая емкость. Ее величина для коттеджа обычных размеров (замок Галкина не в счет) близка к 1000 пкФ, как в разобранном примере.

Начать надо с того, что одиночная молния разряжает грозовое облако не целиком, а лишь небольшой частью. Канал молнии доставляет к земле около 3 Кл заряда. Этот заряд q_cl, на высоте грозовой ячейки Н = 3000 м, создавал у поверхности земли электрическое поле

что примерно в 16 раз меньше, чем в примере с лидером молнии. К тому же надо еще учесть, что вынесенный из грозового облака заряд нейтрализуется на канале молнии волной тока, которая движется не быстрее 100 м/мкс и потому время нейтрализации при длине канала 3000 м не меньше 30 мкс. В итоге ток через заземлитель объекта в совокупности снижается почти в 16 х 30 ≈ 500 раз и не превышает 2 А. Наводка оказывается пренебрежимо слабой практически при любом сопротивлении заземления! Для электронной техники она безопасна.

И все-таки к совету из Интернета стоит прислушаться и заранее выключить из сети домашнюю технику. Никто не знает точно, когда начнется гроза, тем более, когда молния ударит совсем недалеко от вашего дома. Зачем рисковать – предупрежден, значит вооружен.

Занос высокого потенциала

Таким неблагозвучным словосочетанием в Инструкции РД 34.21.122-87 названа транспортировка высокого напряжения от места удара молнии к соседним сооружениям по металлическим коммуникациям, чаще подземным. Их роль успешно выполняют кабельные линии или металлические трубопроводы. Традиционно явление такого типа рассматривают вместе с электромагнитными наводками. Наверное, из-за того, что точка удара молнии здесь тоже может быть удалена от защищаемого объекта на сотни метров. Физическая же природа процесса принципиально иная. Ток в заземлителе объекта не возбуждается электромагнитным полем молнии. До объекта попросту добирается некоторая часть тока молнии, которая не успела стечь в землю через прямой контакт трубопровода с грунтом. Метод решения таких задач давно и хорошо отработан. Типичная расчетная схема, представленная на рисунке, показывает, как ток молнии после удара в молниеотвод из его заземлителя попадает в подземную коммуникацию, а через нее в заземлитель защищаемого сооружения.

В простейшем случае распространение тока по коммуникации с погонной утечкой G описывается уравнениями в частных производных, где необходимо также учесть погонную индуктивность коммуникации L, а в грунтах с высоким удельным сопротивлением еще и ее погонную емкость C в грунте. Компьютерное решение задачи не встречает проблем для любого импульса тока молнии и любой схемы включения сопротивлений заземления по концам.

Чтобы оценить реально возможную длину транспортировки тока, на представленных графиках показаны результаты численного расчета для нормированного тока молнии 10/350 мкс, распространяющегося по металлическому трубопроводу радиусом 50 мм. Трубопровод размещен в грунте с удельным сопротивлением ρ на глубине 0,5 м

На своем удаленном конце он присоединен к заземляющему устройству с сопротивлением заземления 4 Ом, типичном для жилых зданий. Чтобы определить напряжение, доставленное к заземлителю, расчетное значение на графике нужно умножить на амплитуду тока молнии IM. Значения получаются впечатляющие. Даже при длине коммуникации в 500 м напряжение на заземлителе здания будет поднято до величины U = 0,5I_M кВ, если I_M вводится в кА, т.е. до 50 кВ при ударе молнии с нормированным током 100 кА (III уровень молниезащиты). И это для достаточно хорошего грунта с удельным сопротивлением ρ = 200 Ом м. В более высокоомном грунте с ρ = 500 Ом м перенапряжение практически удвоится.

Советую заглянуть в нормативные документы, чтобы узнать о регламентированных средствах защиты от заноса высокого потенциала. Конкретную информацию можно найти только в Инструкции по молниезащите РД 34.21.122-87. Указания там на редкость кратки и исключительно конкретны – коммуникацию надо присоединять к заземляющему устройству защищаемого сооружения. В выполненных расчетных примерах именно так и было сделано. Напомню, что при этом перенапряжение на сопротивлении заземления в 4 Ом составило десятки киловольт.

Ничего себе защита! От такого повышения напряжения на заземляющей шине наверняка вылетят все включенные в электрическую сеть современные электронные устройства. Еще раз раскройте Инструкцию и обратите внимание на последние цифры в ее обозначении – 87. В 1987 году у нас еще и не помышляли о бытовой микропроцессорный технике. Защита, о которой идет речь в Инструкции, это защита человека от занесенного высокого напряжения. Электроника здесь не при чем. Конечно, она нуждается в защите. Об ее средствах и методах нужно говорить особо.

Как это делается

Традиционно для ограничения перенапряжений в первую очередь стремятся снизить сопротивление заземления. Мера вполне разумная, когда речь идет о перенапряжениях прямого удара молнии в линию электропередачи высокого напряжения. Но для защиты электронного оборудования она часто оказывается мало эффективной. Например, при повторении расчета по заносу высокого потенциала сопротивление заземления коммуникации вместо 4 Ом было снижено до 0,5 Ом. В итоге напряжение на заземлителе при токе молнии 100 кА все еще превышало 20 кВ - недопустимо много для современной электроники. Тем не менее, никак нельзя забывать об электростатической наводке, величина которой действительно может быть ограничена до безопасного уровня именно сопротивлением заземления, причем, реально достижимым у рядовых сооружений и в традиционных грунтах.

Чтобы выполнить достоверную оценку, надо оперировать вполне конкретными значениями погонного заряда лидера нисходящей молнии. Наша команда оценила их, построив зависимость этого параметра τ_L от амплитуды тока молнии. Средней

по силе молнии с током 30 кА соответствует погонный заряд 0,2 мКл/м. Для него и будет выполнена оценка. Молния с таким током, ударившая в землю или в молниеотвод на расстоянии r = 200 м от объекта, возбудит у поверхности земли электрическое поле

Все дальнейшие операции полностью аналогичны уже выполненным выше в соответствующем разделе этой статьи. На здании высотой hem> =10 м емкостью Cem> = 1000 пкФ это электрическое поле наведет заряд

ΔQ = ΔhEC = ΔQ = 10 х 18000 х 10^-9 = 0,00018 Кл.

При его нейтрализации за ~1 мкс по заземлителю здания пройдет ток i_Э = 0,00018/10^-6 = 180 А, повысив напряжение до U_Э = i_ЭR_З. Если, например, гарантированная электрическая прочность микроэлектроники равна U_доп = 1500 кВ, сопротивление заземления объекта должно быть не больше R_З = 1500/180 ≈ 8 Ом. При более высоком сопротивлении заземления налицо реальная опасность.

Полагаю, что кто-то из читателей упрекнет меня в недопустимой забывчивости и напомнит, что кроме собственного заземления есть еще сопротивление заземления подстанции, которое уж наверняка не больше 4 Ом. Через провода оно отберет на себя заметную часть наведенного тока. Упрек подобного рода все-таки не по делу. Расстояние до заземлителя подстанции достаточно велико. Оно вполне может превышать, скажем, 150 м. Молния ”узнает” об этом дополнительном сопротивлении заземления, когда электромагнитная волна со скоростью 300 м/мкс добежит до него и, отразившись, вернется назад, затратив на все 1 мкс. За такое время импульс электростатической наводки упадет практически до нуля. Помощь окажется запоздавшей, а потому бесполезной.

Полагаю, что уж теперь читатель ждет от меня упоминания о защите при помощи УЗИП. Я все-таки постараюсь потянуть с этим хотя бы еще немного. УЗИП эффективное средство защиты, но достаточно дорогое и не вполне надежное. Его приходится включать непосредственно в защищаемую электрическую цепь, а это не всегда безболезненно. УЗИП может изменить частотную характеристику цепи, снизить ее надежность, потребовать ввода дополнительных коммутирующих элементов. Наконец, массовое производство качественных современных УЗИП, к сожалению, еще не вполне освоено в России. Это высоко технологическое производство и проблема импортозамещения пока стоит достаточно остро. Поэтому разумнее сначала попытаться обойтись традиционными средствами. Тем более, нередко они дешевы и доступны.

Так, в случае заноса высокого потенциала решающее значение имеет правильная трассировка подземных коммуникаций. Если удалить их от наиболее вероятных мест ввода тока молнии в землю, задачу можно считать решенной. Что же касается электромагнитной наводки, то для нее, кроме уже рассмотренного сближения расстояния между проводами (применение провода СИП) и деления тока молнии по максимально большому числу токоотводов, полезно отметить еще экранирование электрических коммуникаций. Для этой цели коммуникации размещают в металлических коробах предпочтительно кругового сечения. Это гарантирует изменение уровня наводки, как минимум, на порядок величины.

Очень важен способ ввода напряжения непосредственно в дом. Как правило от ближайшей опоры линии 0,4 кВ до него l = 20 – 25 м. Не исключено, что, заменив голые провода самой линии на СИП, проводку к дому не тронули. Она осталась старой, с расстоянием между голыми проводами около 0,4 м. Формула (1), работая на этом коротком участке, демонстрирует наводку около 3,6 кВ при ударе молнии с крутизной фронта A_i = 2х10¹¹ А/с на расстоянии 100 м от линии. Величина безусловно опасная для современных электронных приборов. Чтобы устранить ее, ввод напряжения в дом от ближайшей опоры надо тоже выполнять проводом СИП или экранированным кабелем, надежнее подземным.

Не нужно забывать, что источником наводки нередко оказывается одиночное высотное сооружение, чаще всего антенная мачта, расположенная в зоне промышленной застройки. Убрать такую мачту нельзя по технологическим соображениям, а принимая на себя удары молнии, она возбуждает опасные электромагнитные воздействия на все соседние микроэлектронные устройства. Убрать мачту действительно нельзя, но закрыть ее от молнии очень даже можно. Для этого предназначена защитная система DAS. Ее установка снижает частоту ударов молнии в десятки раз. В той же степени снижается частота наводок любого происхождения. Применение DAS в практической молниезащите уже было рассмотрено на отдельном вебинаре ZANDZ.

Если же перечисленные традиционные средства не помогают, они слишком дороги или их не удается реализовать, время обращаться к УЗИП. Как уже отмечалось, проблема с ними на международном рынке средств молниезащиты не самая благоприятная. К счастью, требования к защите от электромагнитных наводок далеко не самые жесткие, потому что ток молнии, воздействуя здесь дистанционно, непосредственно через УЗИП не протекает. По этой причине в большинстве практически значимых ситуаций удается избежать применения технологически сложных УЗИП коммутирующего типа на основе искровых разрядников и ограничиться приборами ограничивающего типа на основе варисторов. Они несопоставимо более дешевы, а главное, без каких-либо ограничений представлены в продаже. Принципиально важно, что время срабатывания УЗИП на основе варисторов не превышает 20 – 25 нс. Поэтому они эффективно ограничивают электромагнитные наводки, отличающиеся крутым фронтом и малой длительностью. Остается отметить, что методика выбора УЗИП и рекомендации по их установке не раз обсуждались на вебинарах ZANDZ и доступны для повторного изучения. Детально все необходимые материалы по этому вопросу обобщены в книге ”Электромагнитная совместимость с молнией”.

В заключении хочу вернуться к собственным потерям от молнии. О заносе высокого потенциала говорить не приходится. Вода транспортируется по нашей улице по пластиковому трубопроводу. Магнитная наводка тоже мало вероятна. Провод СИП использован по всей трассе линии 0,4 кВ вплоть до ввода в дом. Остается электростатическая наводка. Фундамент дома кирпичный и роль заземляющего устройства выполнять не может. Рядом устроен специальный заземлитель, рекомендованный в Инструкции РД 34.21.122-87, – горизонтальная полоса длиной 5 м с двумя вертикальными электродами по концам длиной по 3 м. Все это размещено в грунте удельным сопротивлением около 250 Ом*м на глубине 0,5 м. Электрическая емкость дома определяется в основном его металлической кровлей и близка к 1000 пкФ. Средняя высота кровли равна 5 м. В таких условиях по оценке, аналогичной выполненной выше, заряд, наведенный в результате электростатической индукции, составит ΔQ = 5 х 10⁵ х 10^-9 = 0,0005 Кл. При его нейтрализации за время порядка 10^-6 сформируется импульс тока 500 А. Теперь нужно оценить сопротивление заземления смонтированного заземлителя. По результатам компьютерного расчета оно равно

R_З = 0,126ρ Ом

При удельном сопротивлении 250 Ом*м получается 31,5 Ом – величина недопустимо большая, поскольку ток в 500 А создает на таком заземлителе напряжение около 16 кВ. Хорошо, что в электрическую сеть было включено мало приборов! Могло бы сгореть и больше. Снизить сопротивление заземления на маленьком земельном участке мне не удалось. Приходится надеяться на УЗИП.

Вебинар профессора Э.М. Базеляна «Активные» молниеотводы и защита от них» Программный калькулятор для расчёта наводок от тока молнии Методика расчёта токов нагрузки УЗИП Заземляющие устройства и системы уравнивания электрических потенциалов в электроустановках, содержащих оборудование обработки информации УЗИП и его плавкая вставка