Молниевая защита на уровне 21 века для чувствительной электрооники; взрывоопасных и неустойчивых материалов

Ричард Киссл; Президент

Национальный Институт по Молниевой Защите (NLSI)

www.lightningsafety.com
1. АБСТРАКТ

Потери от поражений молнией в гражданском секторе США оцениваются в 4-5 миллиардов долларов в год (NLSI, 1999). В государственном и оборонном секторах, комиссия по безопасности взрывных операций министерства обороны США (DDESB) зарегистрировала 88 случаев взрывов амуниции, вызванных молнией, без указания стоимости потерь и количества вызванных смертей. DDESB был сформирован после взрыва в июле 1926 года в Пикатинни Арсенал, в результате которого погибло 14 человек и потери составили 70 миллионов долларов. Министерство Энергетики США зарегистрировало 346 случаев поражения молнией в обьекты министерства в течение периода 1990-2000. Недавние инциденты поражения молнией арсеналов в России включают: июнь 1998 года вблизи Лозиный (Екатеринбург), июнь 2001 года вблизи Нерчинска (Сибирь), и июль 2001 года в Бурятии. В Бейра, Мозамбик (октябрь 2002), в результате поражения молнией произошел взрыв в депо амуниции, вызвав значительные материальные и человеческие потери. В связи с перечисленными инцидентами трудно утверждать что катострофические последствия поражений молнией случаются редко. Как можно избежать потерь от поражения молнией в чувствительной обьектах? Настоящая статья предлагает соответствующие этапы планированиа молниевой защиты, применимые в большинстве современных условий.

2. 
   ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОВЕДЕНИЕ МОЛНИИ.
   

2. 
   Эффекты молниевого разряда. Тепловой стресс материалов вокруг точки контакта молнии вызыватся а) тепловой проводимостью, б) тепловым излучением от канала молнии, и с) Джулиевым нагрева-нием. Радиальная акустическая волна может вызвать механическое повреждение. Магнитное давление-до 6000 атмосфер для 200 кА молнии-пропорционально квадрату тока и обратно пропорционально квадрату диаметра пораженного обьекта (G. A. Odam, GAO Cosiltancy, 1996). В результате диэлектрического пробоя возникают искровые разряды. Горячие искры возникают когда капли расплавленного материала выбрасываются из горячих точек в местах контакта. Взрывание дугового разряда, в результате быстрого нагревания воздуха в замкнутом пространстве, разбивало на части массивные обьекты (бетонные или из камня). Передача напряжениа от молниего проводника к электрической цепи обьекта может произойти через емкостную связь, индукционную связь или же через сопротивление (т.е., путем пробивки изоляции). Из-за потери поверхностного эффекта затухания или экранирования, передаточный импеданс ведет к появлению помех в линиях силового питания и связи. Взаимная связь может навести напряжения в замкнутом контуре, что в свою очередь может вызвать появление тока в других, связанных конту-рах.
   

Когда молния поражает обьект или сооружение, ток возвратного удара разветвляется между всеми параллельными цепями, существующими между точкой контакта и землей. Разделение тока происходит обратно пропорционально импедансу соответствующей цепи, Z (Z = R+XL, омическое сопротивление плюс индуктивная реактивность). Омическое сопротивление будет малым в предположении эффективных связок между металлическими проводниками. Индуктивность и связанная с ней индуктивная реактивность определяется комбинацией индивидуальных параллельных индуктивных цепей. По существу, молния представляет собой источник тока. Конкретный разряд содержит определенное количество заряда (кулон=ампер/секунда), который должен быть нейтрализован во время процесса разряда. Если ток возвратного удара равен 50 кА – этот ток будет течь по цепи с любым сопроти-влением, будь то 1  или 1000 . Поэтому достижение наименьшего возможного импеданса ведет к минимальному значению транзитного напряжения, появляющегося вдоль цепи устройства, по которой течет ток (E(t) = I(t)E + Ldi/dt).

2. 
   ДЕЗАЙН МОЛНИЕВОЙ ЗАЩИТЫ.
   

1. 
   Наружные терминалы. Начиная с Франклина, громоотводы устана-вливались на зданиях в местах, предназначеннх для контакта молнии. В 1876 году Д. Максвелл высказал предположение, что громоотводы Франклина на зданиях притягивают большее число разрядов, чем если бы громоотводы не были установлены. Громоотводы не следует уста-навливать на хранилищах взрывчатыз материалов. Такой дезайн, называемый интегральным наружным терминалом, не создает защиту для электроники, взрывчаых материалов, или людей внутри современных сооружений. Индукционная и емкостная связи от проводников, возбужденных молнией, вызывает значительные напряжения и токи на внутренних проводниках в силовых цепях и цепях связи.
   

Исследование применимости диэлектрического экранирования может предоставить дополнительную защиту в случаях когда подавл-ение восходящего лидера может повлиять на величину напряжения пробоя (Sandia Laboratories, 1997). Нетрадиционные виды дезайна наружных терминалов, которые обещают предотвращение молнии, или изменение ее направления движения (DAS/CTS- рассеиватели зарядов) или привлечения и захвата молнии (возбудители раннего стримера-ESE) должны рассма-триваться с большим скептицизмом. Их бесполезность была хорошо показана в таких публикациях как NASA/NAVY Tall Tower Study, 1975; R. H. Golde “Lightning”, 1977; FAA Airport Study, 1989; T. Horwath “Computation of Lightning Protection”, 1991: D. MacKerras et al., IEE Proc- Sci. Meas. Technol., Vol. 144, No.1, 1997; National Lightning Safety Institute “Royal Thai Air Force Study”, 1997; A. Mousa “IEEE Trans. Power Delivery, Vol. 13, No.4, 1998; International Conference on Lightning Protection-Technical Committee personal correspondence, 2000, etc. Признанные специалисты (Golde и Moore) исследовали свойства радиоактивных наружных терми-налов и признали эти терминалы неэффективными.

3.2. Нисходящие проводники. Нисходящий проводник устанавливается снаружи сооружения. Жесткий плоский проводник предпочтителен гибкому кабелю из-за лучшей индуктивности. Проводники не должны быть окрашены, так как это увеличит импеданс. Чтобы избежать про-блемы с перепрыгиванием разряда, должны применятлся только посте-пенные изгибы. Где это представляется практичным, стальная струк-тура здания, как часть подсистемы, подобной клетке Фарадея, может также быть использована вместо нисходящего проводника

3.3. Перемычки гарантируют, что несвязанные проводящие обьекты имеют одинаковый электрический потенциал. Без правильно установ-ленных перемычек система молниевой защиты не будет работать. Все металлические проводники, входящие в обьект (например, электри-ческие линии, газовые и водяные трубы, линии связи, воздухопроводы аэрокондиционеров, трубопроводы, железнодорожные рельсы, навесные мостовые краны, закатывающеся двери; металлические рамы дверей, перила, и т.д.) должны быть привязаны к одному потенциалу земли. Соединение перемычкой должно быть по возможности не механическим, а сварным, особенно в местах под поверхностью. Механические соединения подвержены коррозии и физическим повреждениям. Не следует игнорировать воздуховоды, проходящие из одного здания в другое, поскольку они могут стать проводниками электричества. Рекомендуются частые инспекции и замерение сопротивления пере-мычек (максимум 10 m) для гарантии надежного электрического соединения.

3.4 Заземление. Система заземления должна иметь низкий импеданс на землю и низкое сопротивление. Анализ спектра типичного импульса молнии показывает как высокочастотную так и низкочастот-ную составляющие. Для импульса молнии система заземления ведет себя как волновод, посему к ней применима теория распростарнения волн. Значительная часть тока молнии после удара на землю распро-страняется горизонтально, толькп менее чем 15 процентов тока проникает вглубь земли. В результате, низкое сопротивление (25 ) значительно менее важно чем обьемная эффективность заземления.

Эквипотенциальное заземление достигается тогда когда все оборудование внутри обьекта привязано к главному узлу заземления, который в свою очередь соединен с внешней системой заземления. Следует избегать замкнутые контуры и их последствий-дифференциа-льных наростаний по времени. Система заземления должна быть спроектирована так, чтобы уменьшить импеданс переменного тока и сопротивление постоянному току. Применение заземления типа counterpoise (закопанные проводники) или радиальных лучей может снизить импеданс, поскольку эти типы позволяют энергии молнии разветвляться с каждым закопан-ным проводником, таким образом разделяющим градиент напряжения. Эффективны также кольца заземления вокруг обьектов, соединеные между собой. Правильное применение бетонных опор и фундаментов увеличивает обьем. Для почвы с высоким сопротивлением, или низком содержа-нием влаги, или при температурах замерзания, добавление в почву уголь, специальных смесей на основе угля, натуральных солей или других включений с низким сопротивлением может оказаться полез-ным. Эти средства должны применяться для каждого случая отдельно тогда, когда добиться снижения импеданса заземления традицион-ными способами либо трудно либо слишком дорого.

3.5 Проблема коррозии и катодной реактивности должна приниматься во внимание в стадии анализа Биметаллические соединения должны применяться в местах контактов неоднородных материалов. Соедине-ния алюминиевых нисходящих проводников с медными проводами заземления представляют собой типичый случай, когда серьезные проблемы могут возникнуть в будущем.

3.6. Импульсы. Электронные и электрические защитные устройства полностью описаны в IEEE 1100. Обычные предохранители и выключа-тели не способны выдержать быстрые изменения напряжения, вызванные молнией. Устройства защиты от импульсов (SPD –ограничители) могут зашунтовать ток, заблокировать энергию против распространения вдоль линии, отфильтровать определенные частоты, или же реагировать на совокупность нескольких факторов. Рекомендуеся применять устойства ограничения напряжения, которые способны выдержать очень высокие импульсы тока, а также уменьшить особенно быстрый фронт (dv/dt и di/dt) скачка.

Также рекомендуется защита главной панели силовой системы, защита всех вторичных распределительных панелей, и защита всех важных включенных устройств, таких как контрольные инструменты, компьютеры, принтеры, сигналы пожарной тревоги, устройства записи данных. Важным является также защита входящих и выходящих линий данных и связи (модэм и т.д). Все электрические устройства, обслуживающие центральные обьекты, такие как дистанционные сигналы тревоги, видео камеры, фонари освещения на высоких мачтах и т.д. также нуждаются в защите.

Ограничители напряжения должны устанавливаться с короткими концами, ведущими к соответствующим панелям. При быстром фронте наростания, индуктивность кабеля становится значительной, и высо-кое переходное напряжение может развиться вдоль длинных концов. Рекомендуются ограничители с заменяемыми внутренними модулями. Во всех случаях рекомендуется использовать быстрые, самопроверя-емые и высокого качества компоненты устройств импульсной защиты. Ограничительные устройства могут использовать разрядники, дивер-теры, варисторы на основе окислов металла, газовые аресторы, силиконные каскадные диоды или другие элементы. Предпочтение отдается гибридным устройствам, использующим комбинации перечи-сленных элементов. Ограничительные устройства, отвечающие европей-скому стандарту СЕ, проверяются с 10х350 us формой волны, в то время как проверка соответствия стандарту IEEE и UL требует 8х20 us формы волны. Рекомендуется, чтобы те, кто интересуется требовани-ями и спецификацией ограничительных устройств, согласовал их со стандартом СЕ, а также стандартом качества ISO 9000-9001.

Непрерываемые источники питания (UPS) обеспечивают питание от батареи в случаях ненормального уровня силового питания, прерыва-ния подачи электричества, переключения батареи конденсаторов, молнии, и т д. UPS применяются как замещение основного источника питания или же как временные источники питания. Они не должны использоваться вместо специальных ограничительных устройств. Правильная установка прибора, отвечающая категории А, включает в себя: соединение от стенной розетки АС – к ограничительному устройству – затем к непрерываемому источнику питания – и затем уже к прибору.

3.7 Обнаружение. Детекторы молний, разных типов и по разным ценам, применяются для раннего предупреждения. Потребители должны быть на чеку относительно чрезмерной уверенности в системах обна-ружений молний. Эти системы не без недостатков и не всегда обна-руживают молнии. Детекторные системы не могут предсказать появ-ление молнии. Смысл их применения состоит в том, чтобы с приближе-нием молний отключить обьект от внешней линии питания и подклю-чить его к резервному источнику питания. В совокупности с детек-торами нужно применять такие средства предупреждения как радио, сирены, и громкоговорители. Более детальное описание детекторов молнии может быть найдено на www.lightningsafety.com.

3.8 Проверка и технический уход. Современные методы диагностиче-ской проверки способны удостоверить работаспособность отдельных устройств в системе защиты и установить путь прохождения молнии по пораженному обьекту. Датчики регистрации проходящего тока молнии могут быть установлены на нисходящих проводниках. Регу-лярная физическая инспекция и испытания должны быть частью уста-новленной программы по поддержанию системы молниевой защиты в работающем состоянии. Без такой программы система защиты от молнии может стать неэффективной.

2. 
   ВОПРОСЫ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ.
   

Каждая организация должна принять и обнародовать План Защи-ты от Молнии, который бы отвечал спесифике данной организяции. Основным правилом, отвечающим всем обстоятельствам, должно быть: ”Если ты слышишь это (гром)-эвакуируй, если ты видишь это (молнию)-спасайся”.

В США нет такого одного стандарта, который бы содержал всю необхо-димую информацию по молниевой защите. Поэтому необходимо ознакомиться с различными официальными документами по вопросам молниевой защиты. Важным является стандарт Федеральной Авиационной Администрации FAA-STD-019c. Рекомендуется также IEEE142 и IEEE1100. Другие рекомендуемые федеральные стандарты включают документы военных ведомств MIL HDBK 419A, Army PAM 385-64, NAVSEA OP5, AF1 32-1065, NASA STD E0012E, MIL STD 188-124B, MIL STD 1542B, MIL STD 5087B, и UFC 3-570-01.

Полезными могут оказаться также DOE M440.1-1 и Английский стандарт BS6551. Германский стандарт по молниевой защите атомных электро-станций КТА 2206 обращает особое внимание на взаимную связь пере-напряжений на иструментальных и контрольных кабелях. Документ серии IEC 61024 Европейской Международной Электротехнической Комиссии является единственным и наилучшим документом для инженеров по проблемам молниевой защиты. Принятый во многих старнах, IEC 61024 является научно обоснованным документом, применяемым ко многим видам дезайна. Большинство стандартов игнорируют весьма важный вопрос о электромагнитной совместимости, что особенно важно для безопасности при работе со взрывчатыми материалами и для обьектов с электроникой, и мониторными системами.

6. 
   ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
   

1. 
   International Conference on Lightning Protection (ICLP) Proceedings, Cracow (2002), Athens (2000), Birmingham (1998, Florence (1996).
   
2. 
   IEEE STD 142-1991 Grounding of Industrial and Commercial Power Systems.
   

7.4 IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Nov. 1998.

7.5 National Research Council, Transportation Research Board, NCHRP Report 317, June 1989.

7.6 International Electrotechnical Commission (IEC), International Standard for Lightning Protection. See: http://www.iec.ch.

7.7 Gardner R. L., Lightning Electromagnetics, Hemisphere Publishing, NY NY, 1991.

7.8 EMC for Systems and Installations, T. Williams and K. Armstrong, Newnes, Oxford UK, 2000.

7.9 NATO STANAG 4236, Lightning Environmental Conditions, 1995.