Молния представляет собой природный процесс, который оказывает влияние на электрическое оборудование. Согласно ГОСТ Р 55630-2013 существуют три механизма воздействия молнии на объект:
При прямом ударе молнии в объект ток молнии стекает в заземлитель исходя из значения сопротивления контура заземления. В этот момент происходит существенный подъем напряжения на заземлителе и связанном с ним электрооборудовании (рис. 1).
При ударе молнии в непосредственной близости от объекта перенапряжение возникает из-за наличия индуктивных и резистивных контуров между точкой удара и рассматриваемым объектом (рис. 2).
В случае удаленного удара молнии перенапряжения возникают из-за наводок от протекающего тока молнии в землю (рис. 3).
Большинство грозовых перенапряжений на электрооборудовании объекта вызваны удаленными ударами молнии в землю. Возникающие импульсные перенапряжения обычно имеют невысокий уровень опасности и защита осуществляется низкоэнергетическими УЗИП (УЗИП II класса, УЗИП III класса).
При ударе молнии в непосредственной близости с объектом, либо в систему молниезащиты объекта возникающие воздействия имеют высокие значения, снизить которые могут только высокоэнергетические УЗИП (I класса, I+II класса).
В нормальном режиме электроснабжения защищаемого объекта УЗИП не оказывает существенного влияния на подачу электроэнергии электроприборам.
При возникновении существенных перенапряжений УЗИП практически мгновенно снижает свое сопротивление и отводит ток на землю. Таким образом происходит ограничение напряжения до безопасного уровня на защищаемом оборудовании.
После стекания импульса перенапряжения УЗИП восстанавливает свое сопротивление до первоначального значения и система возвращается в номинальное положение.
УЗИП может выйти из строя, если энергия воздействующего импульса будет больше допустимой энергии УЗИП. Отказ УЗИП в равной степени может проявиться как обрыв цепи защиты, так и короткое замыкание в точке подключения УЗИП.
При обрыве цепи защиты защищаемый объект остается без защиты, но электроснабжение оборудование остается неизменным.
В свою очередь при коротком замыкании вышедшего из строя УЗИП ток электропитания течет через УЗИП, что приводит к значительным выделениям тепловой энергии, способной привести к аварии в системе. Такое повреждение необходимо отключать при помощи коммутационного аппарата, установленного перед УЗИП.
Основным компонентом УЗИП является защитный элемент, который значительно снижает свое сопротивления. В качестве защитного элемента в УЗИП могут быть использованы металло-оксидные варисторы, пороговые диоды, газовые разрядные трубки и т.д., а также комбинация этих элементов.
Как правило, конструкция УЗИП включает в себя дополнительные компоненты: защиту от сверхтока, индикацию срабатывания, встроенный фильтр, и т.д.
Грозовые перенапряжения в большинстве случаев оказываются основополагающими при выборе УЗИП. Поэтому знание об ожидаемом токе молнии, о плотности ударов молнии в землю помогают принять решение об установке УЗИП.
При невозможности точного расчета растеканий токов молнии по элементам объекта принимается, что 50% полного тока молнии уходят в землю. Оставшиеся 50% тока распределяются среди коммуникаций здания согласно их сопротивлению заземления: проводящие части, электрические линии, коммуникационные линии экраны и оболочки кабелей и т.д. Соответственно в зависимости от принятой амплитуды тока молнии выбирается основной параметр УЗИП – импульсный ток.
Рисунок 1. Прямой удар молнии
а) Перенапряжение в здании;
б) Перенапряжение в линии электропередачи
Рисунок 2. Удар молнии вблизи объекта
а) Связь по земле и наведенное напряжение на объекте;
б) Связь по земле и наведенное напряжение на ВЛ.
Рисунок 3.
Удаленный удар молнии
а) Наведенное напряжение на объекте;
б) Наведенное напряжение на ВЛ.