Заземление в молниезащите. Работа заземлителя в импульсном режиме

Из цикла статей "Заземление в молниезащите - ответы на частые вопросы при проектировании".

Любая горизонтальная заземляющая шина или вертикальный электрод обладают индуктивностью. Это значит, что ток не проникает в заземлитель мгновенно, но фактически загружает его элементы с вполне конкретной скоростью. В результате не весь заземлитель мгновенно включается в растекание быстро нарастающего тока молнии. Его участки вступают в работу постепенно и тем позднее, чем дальше находится конкретный участок от места ввода импульсного тока. В таких условиях бесполезно ориентироваться на измерения или расчёт сопротивления заземления для постоянного (вернее – медленно меняющегося) тока. Реальные условия растекания тока молнии могут оказаться несопоставимо хуже и будут характеризоваться совершенно другими, многократно повышенными сопротивлениями заземления. Импульсные характеристики заземляющих устройств требуют, таким образом, самостоятельного анализа.

Когда удельное сопротивление грунта не слишком велико и ток активной утечки заметно превышает ёмкостной ток с поверхности шины, для описания процесса растекания пригодна LR-схема замещения с распределёнными параметрами (рис. 24), которая описывается системой уравнений в частных производных.

Рисунок 24

Их анализ показывает, что фронт импульса тока распространяется от места его ввода с переменной снижающейся во времени скоростью, преодолевая за время t расстояние

где μ₀ = 4π10^-7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума. Характерное время фронта импульса тока молнии имеет порядок 1 мкс, в течение которого импульс продвинется по проводнику на расстояние около 20 м, если ρ ~ 100 Ом м. Это значит, что в таком грунте сопротивление заземление нельзя считать неизменным во времени при характерном размере заземлителя уже в 20 м и более. В высокоомных грунтах условия более благоприятны, поскольку скорость диффузии тока пропорциональна ρ^1/2. Учёт временного хода сопротивления заземления для сложного по конфигурации контура заземления представляет очень непростую задачу, которая в общем случае даже численно решается с упрощениями и большими затратами машинного времени.

В технических руководствах для описания импульсных свойств заземляющего устройства часто используют понятие импульсного сопротивления заземления. Условно его принимают равным отношению максимального значения напряжения на заземлителе к амплитуде импульсного тока. Физического смысла величина не имеет, поскольку максимумы напряжения и тока, как правило, не совпадают во времени. Она если и пригодна, то только для качественного сопоставления. Существенное различие между импульсным и постоянным значениями сопротивления заземления указывает на то обстоятельство, что импульсным режимом заземлителя никак нельзя пренебрегать. В этих условиях характеристикой растекания тока в грунте должно служить отношение текущих значений напряжения на заземлителе и нагружающего его тока R_З(t) = U_З(t)/I(t). По аналогии с существующей терминологией такую величину следовало бы называть входным сопротивлением заземлителя. Расчётные данные на рис. 25 показывают, насколько сильно меняется во времени величина R_З(t). Численное моделирование воспроизводит работу горизонтальной заземляющей шины длиной 200 м и радиусом 1 см. Принято, что она размещена в грунте с удельным сопротивлением 100 Ом м на глубине 0,5 м и в стационарном режиме обеспечивала бы сопротивление заземления 1,2 Ом. Рассмотрен идеализированный случай нагрузки прямоугольным импульсом тока неограниченной длительности. При времени 1 мкс сопротивление заземления оказывается в 10 раз выше своего стационарного значения и даже через 10 мкс после ввода тока в шину различие все ещё остается трёхкратным. Причина повышенного сопротивления заземления – медленное проникновение импульсного тока в шину.

Рисунок 25

На рис. 26, где нанесены расчётные значения погонной плотности тока утечки с поверхности шины в грунт, видно, что на малых временах активно работает только начальный участок шины. Даже при времени 20 мкс половина её длины в растекании тока участвует лишь частично.

Рисунок 26

Столь значительная инерционность особо характерна для высоко проводящих грунтов. С увеличением удельного сопротивления запаздывание начала активной работы становится менее значимым, в результате чего сопротивление заземления быстрее приближается к своему стационарному уровню (справедливости ради надо отметить, - более высокому в высокоомных грунтах). Результаты численного моделирования на рис. 27 демонстрируют временной ход процесса дли шины длиной 100 м при различных значениях удельного сопротивления грунта. Быстрая стабилизация величины сопротивления заземления характерна здесь для грунта с удельным сопротивлением свыше 2000 Ом м. В грунтах повышенной проводимости переходный режим занимает более 2 мкс, что уже вполне сопоставимо с длительностью фронта тока молнии и потому динамика изменения сопротивления заземления должна учитываться при расчете грозовых перенапряжений, напряжения шага и прикосновении, практически линейно зависящих от R_З(t).

Рисунок 27

Сильная временная зависимость сопротивления заземления характерна и для контуров заземления большой площади. Как пример такая зависимость по результатам численного моделирования построена на рис. 28 для квадратного контура 200х200 м с ячейками 10х10 м.

Рисунок 28

В грунте с удельным сопротивлением 200 Ом*м (типичная величина для грунтов средней полосы России) такой контур, располагаясь на глубине 0,5 м, в стационарном режиме обладал бы сопротивлением заземления около 0,45 Ом. Простое сравнение этого значения с сопротивлением заземления в импульсном режиме невозможно, поскольку последнее существенно зависит от места ввода тока в контур заземления. Переходный процесс занимает наименьшее время, когда ток введен в центр контура (здесь точка ввода в равной степени удалена от всех симметрично расположенных заземляющих элементов), наибольшее – при вводе в один из его углов. Так, через 2 мкс при центральном вводе тока сопротивление заземления превышает стационарное значение в 3 раза, тогда как в случае ввода в угол контура – почти в 10 раз; для времени 5 мкс соответствующие значения равны 1,45 и 5,1. Столь существенное различие заставляет относиться с большой осторожностью как к расчетам напряжения на заземляющем устройстве, так и к количественным оценкам распределения потенциалов в пределах контура заземления и в его ближайших окрестностях. Расчётная зависимость на рис. 29 демонстрирует динамику изменения во времени напряжения шага в центре только что рассмотренного контура. Диапазон значений оказался насколько широким, что для графика потребовался логарифмический масштаб. Действительно, при расчётном токе молнии 100 кА начальное значение напряжения шага превысило 100 кВ, через 2 мкс оно снизилось до 10 кВ, а через 10 мкс составило всего 2 кВ.

Рисунок 29

Специалисты до сих пор не имеют достоверных представлений о воздействии импульсов микросекундной длительности на человека и животных. Что же касается микропроцессорной техники, то здесь ситуация вполне определённая. Для её необратимых повреждений достаточно даже наносекундных перенапряжений.

Нельзя оставить без внимания вопрос о форме импульса тока молнии. Из всего сказанного в этом разделе ясно, что наиболее сложно отводить в землю импульсный ток с крутым фронтом. При малом времени роста тока контур заземления сколько-нибудь больших размеров еще не успевает включаться в работу – в растекании тока активно участвуют только самые ближайшие к месту удара подземные элементы. В итоге текущее значение сопротивления заземления R_З(t) оказывается сильно повышенным. Вместе с ним возрастает напряжение на заземлителе U_З(t) = R_З(t)I(t), напряжения шага и прикосновения. Вот как меняется, например, напряжение на контуре заземления 100х100 м с ячейками 10х10 м на глубине 0,7 м в хорошо проводящем грунте с ρ = 100 Ом*м. Выбрано два импульса тока с различным фронтом. Первый с временем фронта t_ф ≈ 2 мкс (рис. 30) соответствует наиболее крутому для первого компонента молнии, второй, с t_ф ≈ 20 мкс – наиболее пологому (рис. 31). Ток амплитудой 30 кА (среднее значение для первого компонента) вводился в один из углов квадратного контура. Напряжение вычислялось в точке ввода и в центре контура.


Рисунок 30	Рисунок 31

Обращают на себя внимание два принципиально важных обстоятельства. Во-первых, шины контура в импульсном режиме не находятся под одинаковым напряжением. В точке ввода тока оно максимально и достигает амплитудного значения заметно раньше, чем сам ток. При удалении от места ввода тока (например, в центр контура) величина напряжения снижается вплоть до порядка величины, а рост его до своего амплитудного значения занимает существенно большее время. Представьте теперь себе подземную коммуникацию, размещенную на территории контура заземления. Её концы окажутся под разными напряжениями и по коммуникации пойдёт часть импульсного тока, вряд ли желаемая для персонала объекта.

Во-вторых, амплитудное значение напряжения в различных местах контура заземления оказывается в сильной зависимости от длительности фронта тока. Она наиболее заметна для участков контура, ближайших к месту ввода тока, где в рассмотренных условиях сокращение фронта от 20 до 2 мкс увеличило напряжение почти в 4 раза. С перенапряжением на уровне 200 кВ для вполне умеренного тока молнии 30 кА приходится считаться даже при весьма качественной изоляции подземных кабелей.

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва

Читайте далее "Как нормировать сопротивление заземления в молниезащите".

Полезные материалы:

Смотрите также: