Вебинар "Что нужно рассчитывать для разрешения проблемы электромагнитной совместимости с грозовым электричеством", страница 1

Текст вебинара. Страница 1

Быстрая навигация по слайдам:

Примерное время чтения: 43 минуты.

Электромагнитная совместимость с молнией

- Уважаемые коллеги, семинар юбилейный – 21й. Число вроде бы хорошее, а чувствую я себя неловко. Мне кажется, что сейчас координатор прервёт меня и прочитает мне послание кого-нибудь из слушателей примерно такого содержания: «Господин профессор, перестаньте нам морочить голову. Теоретические основы электротехники создавались больше века назад. Все что можно рассчитать там, рассчитано. Мы курс слышали, мы все эти расчёты знаем. И что вы нам морочите голову? Идите себе домой, и спокойно отдыхайте, мы и без вас разберемся. И ответить, возразить на такое послание мне будет нечем, потому что все, что было сказано – это сущая правда. Завершена теоретическая электротехника и ничего в ней придумать нельзя. Я несколько дней придумывал, а как бы я мог оправдаться перед тем, что этот семинар все-таки состоялся и придумал я две вещи. Первую вещь, вот какую – у нас, к сожалению, память с очень большими вывертами, она, не спрашивая нас, отбрасывает в мусорную корзину все, что какое-то время оказывается не использованным. Компьютер пишет, что на экране есть неиспользованные значки, а память не пишет, она просто сбрасывает всё это и забывает. А то, что мы не используем, связано вот с чем. У нас есть такая контора Госстандарт. Этот Госстандарт создает ГОСТы, а в ГОСТах есть приложения, в которых есть куча рекомендаций «сделай так», «возьми такое число», «поставь такую цифру» и все там есть готовое и делать ничего не надо. И именно поэтому из-за того, что такие ГОСТы есть, наша память так справляется с электротехникой.

Наиболее необходимые параметры удара молнии

И я постараюсь доказать, что у меня такое право всё-таки в какой-то степени есть. С чего я хочу начать? Конечно же, с расчёта тока. Ничего другого действующего в электротехнике нет и у молнии тоже нет. Мне нужно знать распределение тока молнии по коммуникациям того объекта, в который она ударила. Для чего это надо? В первую очередь – это резистивная составляющая индуцированного перенапряжения. Если ток помножить на сопротивление заземления, то получится та самая резистивная составляющая наводки, которая действует на изоляцию всех цепей относительно земли. И для этой цели мне нужно конечно знать ток молнии и в первую очередь его амплитуду. Во-вторых – это скорость роста этого тока, длительность его фронта. Мне нужна эта цифра для того чтобы посчитать ЭДС магнитной индукции. Одной из главных составляющих, которых приходится воевать, решая проблему электромагнитной совместимости. А в третьих мне нужно знать полную длительность импульса тока, потому что полная длительность импульса тока мне нужна для того, чтобы посчитать ту самую энергию, которая выделится в электрической цепи и выделится в УЗИП, которое будет ставиться в электрическую цепь. И об этом у нас будет в следующий раз большой и серьёзный семинар 5го октября. То есть мне нужно знать, как ток молнии распределяется по коммуникациям объекта и нужно знать амплитуду, нужно знать длительность фронта и нужно знать полную длительность импульса. Это то, что мне надо знать.

Почему бесполезны предписания ГОСТ

А теперь я хочу показать, как с этим делом расправляются те стандарты, которые действуют на территории России с именем ГОСТ Р. Это значит, что этот российский стандарт перевел на русский язык из стандартов МЭК и издал под своим именем. Та картинка, которую вы сейчас видите перед собой – это точная копия того, что есть в стандарте, который под этой картинкой подписан, и этот стандарт называется не как-нибудь, а «Устройство защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Принципы выбора и применения». И вам дается такая картинка, по которой вы должны рассчитать распределение тока молнии после того, как молния ударила в объект. Смотрите, какая схема замещения. Схема замещения состоит из источника тока и параллельно соединенных сопротивлений заземлений всех домов, которые питаются по этой линии. Все. Кроме сопротивления заземления там нет ничего. А это что значит? Это что? Люди не слышали такое понятие, как индуктивность?

Схема замещения для распределения тока молнии

Может быть это случайность – такая схема? Ничего подобного. Из другого приложения того самого ГОСТа я нахожу еще более замечательную схему. Посмотрите, пожалуйста, на этой схеме показано как ток молнии распределяется между коммуникациями здания, если молния ударит в это здание. Ничего не нужно знать. 50% тока идёт в заземлитель объекта. В какой заземлитель – не имеет значения, все равно 50%. А вторая половина, то есть следующие 50% равными долями распределяются между подземными и воздушными коммуникациями объекта. 17% процентов идет в водопровод, 17% в газовую трубу и 16% идет в линию электропередачи. Всё, считать ничего не надо. Это же полный, абсолютнейший абсурд. Причем придумать мотивацию этого абсурда – это просто невозможное дело.

Недопустимые просчёты схем замещения

Давайте посмотрим, что же за глупость здесь придумана в государственном стандарте. Поймите, меня это невероятно смущает – государственный стандарт. Давайте смотреть, если индуктивности не учитываются, а имеются только активные сопротивления, это значит, что в каждом сопротивлении будет ток, форма которого точно подобна току молнии. Это неправильно. На самом деле из-за реактивных сопротивлений форма импульса тока молнии меняется. И это изменение очень важно для выбора УЗИП, а это не принимается во внимание. Идем дальше, из-за того, что форма импульса токов всех одинакова, максимумы токов совпадают и это значит, что сумма токов во всех элементах цепи должна быть равна току молнии. А это еще более неправильно, потому что эти максимумы могут быть сдвинуты во времени и суммы этих максимумов может оказаться в несколько раз больше того тока молнии, которая ударила в это самое сооружение. Иными словами – ток за счет реактивных сопротивлений может перетекать из одного элемента в другой и максимумы эти возникают: один через 10 мкс, а другой, например, через 50 мкс, тогда об их сумме не может быть и речи. Как подходить к этому решению? Посмотрите, пожалуйста, я здесь взял и нарисовал такую схему замещения. Этот источник тока – молния, вот две индуктивности – это два отрезка линии. Один из этих отрезков пусть идет к объекту, а второй отрезок этой линии идет к подстанции, которая этот объект питает, а это сопротивление заземления подстанции и объекта. Теперь такую схему замещения надо считать. Один из преподавателей, который учил меня теоретическим основам электротехники, говорил так: «Хороший инженер должен знать электротехнику, но очень хороший инженер должен быть немного ленивым для того, чтобы не спешить использовать расчёты, которым его обучили». Давайте пока не будем спешить с этими расчётами. Давайте посмотрим на эту схему глазами человека, который знаком с физикой. Есть законы коммутации. По этим законам коммутации ток в цепи с индуктивностью не может измениться мгновенно, потому что это мгновенное изменение тока дало бы очень большое падение напряжения на индуктивность. И по этой причине первый момент времени ток будет распределяться обратно пропорционально величинам индуктивности в нулевой момент времени. И это значит, что ток, который потечет по цепи №1 будет определяться отношением индуктивности второй цепи к сумме индуктивности. Теперь представьте себе, что индуктивность L₂ примерно в 10 раз больше чем индуктивность L₁, тогда 90% тока в первый момент времени попадет в цепь №1 так как это нарисовано здесь на этой формуле. А через какое-то время в режиме почти установившимся индуктивности уже не имеют никакого значения, и ток будет распределяться обратно пропорционально величинам сопротивления. И теперь представьте себе, что второе сопротивление в 10 раз больше первого сопротивления. И тогда 90% тока перебросится из цепи 1 в цепь 2, получается два максимума каждый по 90% тока и в сумме эти два максимума в 1,8 раза больше того тока, который дала молния. Она сначала уничтожит одну цепь, а потом уничтожит другую цепь. Вот какой невероятно жуткий просчет сделал сначала стандарт МЭК, а потом этот стандарт пережевал российский стандарт.

Решение для прямоугольного импульса тока

Теперь после того, как я это все наговорил, теперь давайте посмотрим, как можно подойти к расчёту. Уравнения, которые здесь записаны – это уравнения по закону Кирхгофа, которые выглядят в том виде, в котором я их написал. И сумма двух токов – это ток молнии. Давайте решим эту задачу для прямоугольного импульса тока молнии. Я говорю «давайте решим», потому что в любом справочнике, в любом учебнике, где хотите, вы найдете такое решение, которое здесь написано. Оно есть где угодно, даже в элементарном учебнике по основам электротехники. Посмотрите, пожалуйста, на это решение. Единственный член, который меняется во времени здесь экспонента. У экспонента есть постоянная времени, которая равна сумме индуктивности деленная на сумму сопротивления. И теперь посмотрите на то, что здесь получается. В нулевой момент времени экспонент  равен единице и от суммы этих дробей остается L₂/(L₁+L₂) – это то, что мы записали, не глядя из законов коммутации. А в большой момент времени экспонент упадет практически до нуля и останется член отношений сопротивлений. И по этой формуле я строю график. Смотрите, сначала до 90% нагружен один объект, а потом примерно через 40 мкс весь ток перекидывается во второй объект. Вот что дает решение. И человек, который следит за тем, что говорю, он скажет: «Что вы решаете? Вы решили для прямоугольного импульса тока. Для прямоугольно импульса тока теоретическая задача имеет значение, а практический ток, он совсем не прямоугольный». Действительно практический ток совсем не прямоугольный.Теперь после того, как я это все наговорил, теперь давайте посмотрим, как можно подойти к расчёту. Уравнения, которые здесь записаны – это уравнения по закону Кирхгофа, которые выглядят в том виде, в котором я их написал. И сумма двух токов – это ток молнии. Давайте решим эту задачу для прямоугольного импульса тока молнии. Я говорю «давайте решим», потому что в любом справочнике, в любом учебнике, где хотите, вы найдете такое решение, которое здесь написано. Оно есть где угодно, даже в элементарном учебнике по основам электротехники. Посмотрите, пожалуйста, на это решение. Единственный член, который меняется во времени здесь экспонента. У экспонента есть постоянная времени, которая равна сумме индуктивности деленная на сумму сопротивления. И теперь посмотрите на то, что здесь получается. В нулевой момент времени экспонент  равен единице и от суммы этих дробей остается L₂/(L₁+L₂) – это то, что мы записали, не глядя из законов коммутации. А в большой момент времени экспонент упадет практически до нуля и останется член отношений сопротивлений. И по этой формуле я строю график. Смотрите, сначала до 90% нагружен один объект, а потом примерно через 40 мкс весь ток перекидывается во второй объект.

Уточнение решения для реального тока молнии

Сейчас я вам покажу примерную форму импульса тока молнии. Видите? У него фронт для первой компоненты тока молнии где-то примерно около 10 мкс, хвост спадает примерно до 100 мкс до половины амплитудного значения. И на самом деле надо задачу решать для этого импульса. Если вы знакомы с численными решениями на компьютере, вы легко это решение получите. Получите это решение с помощью любой программы, например, с помощью «Матлаба». Но я вам хочу сейчас показать, что не стоит лазать и составлять программы для этого решения. Смотрите, мы с вами для прямоугольного импульса тока получили две кривые. Кривая тока в объекте №1 и кривая тока в объекте №2, а красная кривая – это тот импульс, который надо брать. Ясно совершенно, что ток где-нибудь не может быть больше тока молнии, и, стало быть, надо вместо этого сделать красный кусочек. А вместо этого сделать другой красный кусочек, а верхнее начало стереть. Если я это просто графически сделаю, то посмотрите, что у меня получится.

Сравнение со строгим компьютерным расчётом (штриховые кривые)

У меня тогда получится пунктиром – первый импульс тока и второй импульс тока – это то, что бы дало правильно чистое компьютерное решение. А теперь я прохожу ту кривую, которая у меня получилась. Это один импульс вместо пунктира и второй импульс вместо пунктира. Посмотрите, точное решение от моего отличается где-то в пределах 10% – 15% – такая ошибка в инженерных расчётах вполне допустима. И делать больше ничего не надо. Надо просто разумно воспользоваться теми элементарными знаниями, которые есть в любом справочнике. Это первый момент, который я хотел сказать. Посмотрите те импульсы, которые у нас с вами получились, не имеют ничего общего с реальным импульсом тока молнии. А их сумма амплитудных значений достаточно и существенно превышает ток молнии.

Как быть с подземными коммуникациями?

А теперь задача немного другого сорта. Теперь задача, вот какая. В любом доме есть подземные коммуникации – это те подземные коммуникации, которые ГОСТ рекомендует считать, что туда попало 17% тока молнии. Вот я теперь хочу посчитать эту подземную коммуникацию. Как считать подземную коммуникацию?

- Эдуард Меерович, можно я вас перебью? Несколько вопросов поступило в чате, но я думаю, что сходу мы сможем ответить на один. Остальные можно оставить до конца вебинара. Давайте я зачитаю, Низаев Шамиль спрашивает: «Так вот немного было непонятно с предыдущей информацией (реальный ток молнии и его распределение по коммуникациям, они ещё отображаются пунктиром) – какой результат (отличный) получил Э. М. Базелян?».

- Смотрите, я еще раз вернусь к этому слайду «Сравнение со строгим компьютерным расчётом». Смотрите, что получилось у меня. Пунктир, который я сейчас обхожу (нижняя кривая) – это ток в первом объекте. А этот (верхний) пунктир – это ток во втором объекте в точном компьютерном решении. А если я проведу построение, то я должен пойти сначала по первой красной кривой, а потом свернуть в точке а на черную кривую. И тогда эта штука отличается от моего пунктира всего примерно на 10 %, теперь во втором объекте я сначала иду по черной кривой до точки b, а потом перехожу на более нижнюю красную кривую. А разница между точным и моим решением меньше 10 %. Вот что получается при таком подходе, то есть я учитываю реальную форму тока молнии просто графическим построением и совсем неплохо получилось. А второй вопрос?

- Второй вопрос задает Алексей: «По поводу кривых. Амплитудные значения другие. По стандарту вы берете в процентном отношении от расчётного тока молнии. А по факту больше».

- Я не понимаю вопроса, пусть он пояснит.

- Алексей написал, что это не вопрос, а комментарий. Алексей требуется от нас  что-то ответить на ваш комментарий? Это был комментарий к вопросу Шамиля. Следующие вопросы, я думаю, могут подождать до конца вебинара.

Вебинар "Программное обеспечение для расчёта надёжности молниезащиты любого объекта за 30 минут." Страница 3 Вебинар "Молниезащита больших территорий: парки, площадки, территории заводов." Страница 1 Вебинар "Молниезащита больших территорий: парки, площадки, территории заводов." Страница 2 Вебинар "Молниезащита больших территорий: парки, площадки, территории заводов." Страница 3