Никто не обнимет необъятного. Зри в корень !
Козьма Петрович Прутков
Какая может быть интенсивность гроз и какой может быть амплитуда тока молнии, какие можно сделать из этого выводы и как их применить при выборе УЗИП – вот тема статьи.
Старался написать попроще, но совсем без нормативных документов никак не обошлось, их перечень дан в конце статьи, в тексте номера в списке даны в квадратных скобках.
К тем кто в теме разбирается, просьба – к возможным неточностям и допущениям не придираться – нужно было в коротком и понятном виде отразить суть вопроса.
В теорию вероятностей не полезем, но не забывайте, что все технико-экономические расчеты носят вероятностный характер, а при расчете систем молниезащиты – «вероятностный в квадрате».
Нужная для понимания информация
УЗИП I класса испытаний (в т.ч. и класса I+II) устанавливаются на границе 0 и 1 зон молниезащиты, см. [1,2].
Импульсный ток Iimp используется для испытаний класса I. Применяется испытательный импульс с формой волны 10/350 мкс, который используется для моделирования тока молнии (очень условно, подробнее о параметрах тока молнии см.[3], приложение А).
Стандарт [4] устанавливает предпочтительные значения импульсного тока для испытаний класса 1: 1,0; 2,0; 5,0; 10,0; 12,5; 20,0; 25,0 кА. Стандарт допускает использование более низких и высоких значений.
При ударе тока молнии в здание (сооружение) возникнет бросок потенциала земли и установленные в цепях L-PE (N-PE) УЗИП уровняют разности потенциалов между проводами электроустановки и землёй, пропуская при этом ток.
Часть тока молнии растечется в систему заземления, а другая – в коммуникации, в т.ч. и в кабели (провода) ввода питания, идущие от ТП. В обобщенном виде это описывает зоновая концепция МЭК, а какая часть тока молнии потечет через УЗИП, зависит от очень многих факторов.
Информация к размышлению
Нетрудно, что догадаться, что чем больше значение максимального импульсного тока, тем дороже УЗИП. Не вдаваясь в технические тонкости, примем, как факт, что устройства с Iimp от 20 кА выпускаются на базе специальных разрядников. В России такие УЗИП выпускают крайне ограниченное число производителей (мне известно только АО «Хакель»), да и во всём их не так уж и много. Объяснение тут простое: с одной стороны, нужен определенный уровень технологии и производства, испытательная база, с другой – спрос на такие УЗИП ограничен.
Давайте представим, что некто, имея неограниченные средства, решил купить УЗИП класса испытаний I с самым большим импульсным током по принципу «дорого, да мило, дешево, да гнило» (как говорила моя бабушка ). Хорошо ли это с технической точки зрения ? Экономическая некта (или некту ?) не волнует.
Самое мощное из известных мне УЗИП для монтажа на рейку DIN - DEHNbloc H. В технических характеристиках читаем: Blitzstoßstrom 10/350 µs (Iimp ) – 50 кА. Как видим, специалисты DEHNgroup применяют термин «Ток разряда молнии» (Blitzstoßstrom) для Iimp, опираясь на авторитетное мнение, поставим между ними условный знак равенства.
Безусловно, DEHN это предприятие с самым большим опытом и традициями в области молниезащиты и защиты от перенапряжений - Hans Dehn подал заявку на регистрацию предприятия для «Инсталляции электрических установок» 21.01.1911. На меня же произвели наибольшее впечатление даже не технологии и решения, а небольшая экспозиция продукции DEHN начала-середины XX века в крупнейшем научно-техническом музее Германии – Deutsches Museum в Мюнхене.
Вернемся к нашему гипотетическому случаю. Для снижение уровня напряжения помехи на входах приемников электроэнергии дополнительно к такому супер-мощному УЗИП придется установить вторую, а то третью ступень защиты. На самом же деле, в 99,99 процентов случаев (0,01 % оставим на особо важные технологические объекты, которые размещены в зонах с высокой интенсивностью и мощностью гроз) на вводном щите ЭПУ эффективнее и гораздо дешевле будет установить УЗИП класса I+II с током импульсным 2, 5 или даже 10 раз меньшим, а в каком-то случае УЗИП класса II, который импульсом 10/350 мкс вообще не нормируется.
Поясню на наглядном примере
Для полетов через океан нужен дальнемагистральный лайнер, а на каком-то маршруте уже 70 лет наиболее эффективен АН-2 (ждем ему на смену ЛМС-901 «Байкал»). Т.е. выбор технических характеристик самолета зависит, прежде всего, от дальности и условий полёта того, сколько пассажиров и груза нужно перевезти, и от разных других факторов.
На рейсе, предположим, из Архангельска в Котлас летает L-410, а в Питер – Аirbus, и никого это не удивляет. Видел я несколько тендеров на поставку УЗИП, где указывались требования «на Аirbus», хотя достаточно было «L-410».
Исходные данные для выбора УЗИП
- вероятность удара молнии в объект, подземный кабель или воздушную ЛЭП (рассчитывается исходя из параметров здания или сооружения, и грозовой активности в данной местности);
- ожидаемый ток удара молнии (характеристика вероятностная);
- особенности электроустановки, системы заземления, используемого на объекте оборудования.
- возможные последствия удара молнии (в зависимости от них инструкция [2] делит объекты на 4 класса, определяя для каждого как вероятность прямого удара молнии, так и пиковое значение её тока и заряд).
In my humble opinion,
1. Правильная оценка вероятности ударов молнии и ожидаемого амплитудного значения импульсного тока дают возможность правильно оценить параметры УЗИП, устанавливаемого еа вводе электроустановки (импульсный ток, прежде всего).
2. Применяя международный опыт и нормативную базу по использованию УЗИП, нужно учитывать, что на территории России и стран ближнего зарубежья грозовая активность и энергия ударов молний относительно малы, не только по сравнению с Большей частью Северной и Южной Америкой, экваториальной Африкой или Юго-Восточной Азией, но и с югом и западом Европы.
3. В проектной и тендерной документации требования к УЗИП зачастую завышены по различным причинам – от ошибок проектировщиков до успешной «маркетинговой» работы представителей производителей и дистрибьюторов.
Видел несколько тендеров на поставку УЗИП 1 класса с Iimp 25 кА, в одном из них даже цвет корпуса был указан, чтобы попадание было 100%. Еще лет 20 с чем-то назад у одного из операторов сотовой связи в нашем Северо-Западном регионе в контейнерах на вводе были УЗИП установлены – с током 25 кА, но током максимальным разрядным (8/20 мкс). Сэкономили – можно было бы 2 класс УЗИП поставить, с Imax 40 кА. был бы еще запас Специально периодически интересовался несколько лет подряд – никаких проблем: импульсные выпрямители живы, УЗИП тоже. И это не одна мачта с контейнером и базовой станцией – а их было не десять даже не сто ...
Как же так, проектировщики и энергетики Северо-Западного GSM ? Где же УЗИП 1 класса? Зря что ли зоновую концепцию специалисты МЭК писали ? Концепция правильная, и стандарты тоже надо соблюдать. Но коллеги правильно оценили наши местные "северо-западные" условия, и не ошиблись.
Грозовая активность
Посмотрим на карту грозовой активности Российской Федерации (по состоянию до 2014 г.) – на 2/3 территории страны количество грозовых часов – менее 40 в год, на 4/5 – менее 60. 100 часов грозовой активности – небольшой кусочек на Северном Кавказе.
Посмотрим на территорию бывшего СССР (для нас карта вполне актуальна - в Беларусь, Казахстан и Армению УЗИП COMMENG поставляются). Донбасс и Украину тоже придется восстанавливать, понадобятся сотни тысяч наименований электротехнического оборудования.
Как видим, в целом, принципиальной разницы нет – есть различия по регионам. Средняя Азия - на уровне Северо-Запада и большей части Сибири. На Украине – там грозы с Питером или Псковской губернией не сравнить, конечно. Помню был в пионерском лагере в Черкассах (после 4 класса, 5 отряд) – гроза была далеко от нас, но все небо светилось несколько часов. Никогда такого не видел – испугались с приятелем, что атомная война началась, потом надоело бояться и заснули ...
За 1 грозовой час в среднем происходит от 0,06 - до 0,1 удара молнии на 1 км² земной поверхности. Т.е. чтобы получить количество ударов молнии на 1 км² в год надо количество грозовых часов поделить, минимум на 10 -15. На 2/3 территории России количество ударов менее 2-4 в год, на 4/5 – менее 4-6. На остальной территории - 6-8 на квадратный километр.
Теперь давайте посмотрим на нашу землю в целом. На карте показана активность в количестве ударов молнии на площадь 1 км² в год. Большая часть России выделена зеленым (2-4 удара), часть Беларуси и большая часть Украины – желто-зеленая (6-8 ударов).
Южная и Юго-Восточная Европа, Альпийский регион – 8-10 ударов, а вот Флорида – уже 30-40. Экваториальную Африку трогать не будем, хотя и там люди живут.
Амплитуда тока молнии
Международный электротехнический комитет (ГОСТ Р МЭК 62305-1 —2010) дает следующие значения вероятностей для больших токов молнии: 5% - более 100 кА), 1% более 200 кА)
В наших Палестинах вероятность амплитуды тока молнии более 100 кА составляет 1%, более 60 кА – 10%. Более 20 кА – менее 40%. (первоисточник не знаю, но данные приводятся различными авторами и в различных документах с 80-х годов до нашего времени).
Теперь вспоминаем зоновую концепцию МЭК - 50% тока молнии растекается в заземляющее устройство. Остальное в коммуникации - трубы, оболочки кабелей ... Часть тока молнии мы должны пропустить через УЗИП в фазные провода (и нейтраль, при системе TN-S), уравняв таким образом потенциалы во избежании пробоя в каком-нибудь выпрямителе или прямо в шите ...
Вернемся к примеру тендера, где кроме тока имп. 25 кА был определен цвет, не будем привлекать теорию вероятностей и матстатистику, прикинем на пальцах. 5 ударов молнии на 1 кв. км. в год. Самый экстремальный вариант - мачта метров 70, пусть даже 100, вокруг леса-поля-вёски. Пусть даже 3 из них попадут в мачту. Пусть один из 10 будет 50 кА - на него и будем рассчитывать. 50% в заземление АМС и контур заземления. Пусть еще 10% тудя-сюда. Остается 20 кА. Делим на три: между каждым фазным проводом L1, L2, L3 и PE подключаем УЗИП класса 1 с импульсным током 7 кА. Кроме выбранного нами варианта (на мачте РРС + базовая станция, например) может быть базовая станция на трубчатой мачте в городской застройке или на крыше здания, там вероятность удара на порядок меньше.
post scriptum
В связи с потеплением в последние годы грозовая активность у нас растёт. Как там в Америках и Европах не знаю, но это не наши проблемы.
Но не только от нее все зависит. Скажем, повреждаемость кабелей связи или энергосистем где-нибудь в Мурманской области может быть выше чем в средней полосе, несмотря на более низкую грозовую активность. Просто потому, что проводимость скал или почвы из камней и песка, которых там много на Кольском полуострове, очень низкая.
Общие выводы я сделал выше (In my humble opinion). Вопрос, как их применить на практике, решил вынести за скобки – надоело уже писать, да и статья слишком большая получилась. Может быть в другой раз …
Даны ссылки на нормативные документы
1) ГОСТ Р МЭК 62305-1-2010 Менеджмент риска. Защита от молнии. Часть 1. Общие принципы.
2) СО 153-34.21.122-2003 Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций
3) ГОСТ Р МЭК 62305-4-2016 Защита от молнии. Часть 4. Защита электрических и электронных систем внутри зданий и сооружений
4) ГОСТ IEC 61643-11-2013 УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ НИЗКОВОЛЬТНЫЕ Часть 11 Устройства защиты от перенапряжений, подсоединенные к низковольтным системам распределения электроэнергии. Требования и методы испытаний
Статьи в моём блоге по этой теме (УЗИП для ЭПУ):
ИМХО. Классы испытаний УЗИП для низковольтных ЭПУ: манипуляции, заблуждения и ошибки.
УЗИП для низковольтных ЭПУ COMMENG OVP. Как устроено. Что внутри.
Если выбираете УЗИП, посмотрите наши ОПИСАНИЯ ЗДЕСЬ
