Возникновение импульсных напряжений и токов

При разрядах молнии

Многие электрические системы непосредственно или косвенно связаны с кабельными коммуникациями или иными проводящими контурами, расположенными снаружи сооружения. При разряде молнии в металлоконструкции сооружения либо при разрядах молнии в непосредственной близости от сооружения возникают сильные электромагнитные поля. Они наводят в кабелях ЭДС и токи, которые проникают по кабелям внутрь сооружения, достигают чувствительного электрооборудования и могут вызвать сбои в его работе и даже повреждения. При анализе явлений в электрооборудовании сооружений, сопровождающих ЭМИМ, необходимо по известным параметрам ЭМИМ определить амплитуду наведенных импульсных напряжений.

ЭМИМ может длиться около 1 с и состоит из нескольких импульсов тока большой амплитуды. Отдельный импульс тока молнии обычно задается формой, приведенной на рис. 2.3, а. Разряд молнии над поверхностью земли характеризуется следующими параметрами:

- максимальный ток в канале разряда молнии I _mах=80...200 кА;

- время нарастания (от уровня 0,1 I _mах до уровня 0,9 I _mах) t _ф = 0,5 ... 1,5 мкс;

- длительность импульса (по уровне 0,5 I _mах) = 50 мкс;

- максимальная скорость нарастания тока (dI / dt)_{mа х} = 80...200 кА/мкс.

При разрядах молнии над морской поверхностью максимальная скорость нарастания тока в 3...10 раз больше, а время нарастания t _Ф уменьшается до 90 нс.

Любая молния и любой ток в проводах, обусловленный молнией, вызывают электромагнитные поля, которые вызывают в электрических контурах напряжения с мешающими или разрушающими последствиями.

Импульс тока молнии I ₁при протекании по проводнику (рис.2.19) сопровождается падением напряжения на нем U ₁, а также наводкой в близлежащих контурах напряжения U ₂и тока I ₂.

Наиболее опасными для электрооборудования являются импульсные напряжения при прямом разряде молнии. Они обусловлены

протеканием тока через пораженный молнией объект (токоведущиежилы кабеля, экранирующие оболочки и т.д.). Напряжение на металлических проводниках имеет преимущественно индуктивный характер. Так, при токе молнии 80 кА и скорости нарастания тока 80 кА/мкс в медном проводе длиной 1 м сечением 10 мм² падение напряжения на омическом сопротивлении будет составлять

а индуктивное падение напряжения при индуктивности прямого провода   L = 2 мкГн/м составит

          (2.14)

Индуцированные напряжения вызваны изменением электромагнитного поля канала молнии или проводников, по которым протекает ток прямого разряда молнии. Максимальную величину индуцированного напряжения в витке, расположенном вблизи проводника с протекающим по нему импульсным током, можно определить, зная величину взаимной индуктивности витка и провода с током молнии

                                 (2.15)

Если виток с индуцированным напряжением замкнут, то по нему протекает импульсный ток. Величину тока в короткозамкнутом витке с малым активным сопротивлением (например, в витке, образованном экранирующей оболочкой кабеля) можно оценить, зная величину собственной индуктивности витка L и величину взаимной индуктивности М витка и провода с током

                                     (2.16)

Форма тока I ₂ будет подобна форме тока I ₁. Замкнутый виток может быть образован проводящей поверхностью сооружения и металлической трубой, в которой проложен кабель. При этом часть тока проникает на внутреннюю поверхность трубы и приводит к появлению между жилами кабеля и трубой импульса напряжения U ₃ с амплитудой, пропорциональной сопротивлению трубы R ₀:

                                        (2.17)

где к – коэффициент, учитывающий скин-эффект при проникновении поля в стенку трубы. В случае, когда скин-эффектом можно пренебречь, к =1.

Время нарастания напряжения U ₃ на два порядка больше времени нарастания тока I ₂.