Безыскровой заземлитель для систем молниезащиты и энергетики

Введение

Оценка фактов поражений от воздействий молниевых разрядов (МР) показывает, что около 50% случаев аварий, взрывопожарных ситуаций, отказов радиоэлектронных средств вызваны недостатками заземляющих устройств. Именно импульсные токи и напряжения на заземлителях, от воздействий искроопасных факторов: МР, коротких замыканиями и коммутационных помех в энергетических средствах, разрядов статического электричества, являются причинами многих поражений объектов и гибели людей в результате электропоражений, взрыва-пожарных ситуаций и отказов средств защиты. Предлагается безыскровой заземлитель [1].

Заземлители являются одной из самых распространенных, и ответственных систем молниезащиты [2(п.3.2.3)] и электроэнергетики ПУЭ-[3 (табл. 1.7.4)] объектов, зданий и сооружений. ГОСТ Р 50571.5.54-2013/МЭК 60364-5-54:2011 устанавливает требования к заземляющим устройствам, защитным проводникам и защитным проводникам уравнивания потенциалов в электроустановках [4]. Основные функции заземлителей обусловлены проблемами: молниезащиты, растекания токов короткого замыкания, электробезопасности, отвода токов, вызванных процессами коммутации, уравнивания и выравнивания потенциалов.

Заземлители систем молниезащиты

Несмотря на низкие значения тестируемых сопротивлений (2 — 4 Ом) на границе «металлические электроды – грунт» нормативного заземлителя возникают искровые разряды (ИР) в грунт при высоких напряжениях пробоя (см. рис.1). Рассмотрим механизмы этого явления.

Разогнанные высоким напряжением, вызванным высокой скоростью нарастания di/dt униполярного тока МР в токоотводе, «легкие» носители зарядов (электроны или «дырки») высокой подвижности (К_е± ≥1,0 см/В×с) и «тяжелых» — ионов в металлических электродах заземлителя тормозятся на границе с грунтом. Процесс торможения накапливающихся зарядов на поверхности электродов вызывает ударное нарастание напряженности электрического поля (ЭП). При дополнительном искажении кривизной электрода напряженности ЭП до уровня (10⁵-10⁶)В/м в локальных местах воздушных включений возникает коронный разряд (КР), образующий ионизированное облако — объемный пространственный заряд, но ЭП которого еще не в состоянии ионизировать «тяжелые» (по массе) нейтральные ионы в структуре грунта: влаги, кислотных и щелочных ионов, органических ионов и др. Происходит задержка развития электронных лавин, предшествующих искровому разряду (рис. 1).

КР происходит, когда процесс ионизации превзойдет потенциальный порог, т.е. когда энергия ЭП на поверхности проводящего тела будет больше энергии связи электронов в атомах, соответствующих уровню Ферми и энергии работы выхода металла электрода Wв. Ток КР имеет характер импульсов, вызываемых электронными лавинами. Частота появления импульсов 10-100 кГц. Если потенциал на электроде продолжает возрастать, то КР внезапно переходит в искровой разряд (ИР), т.е. становится нестабильным. Необходимое для этого напряжение называют напряжением пробоя (U_пр).

ИР в грунт произойдет, когда на локальной кривизне электрода напряженность в сильно неоднородном ЭП достигнет значений более 10⁷ В/м, а удельное количество ионизированных носителей в объемном заряде превысит 10⁸ единиц. ИР начинается с образования стример – само распространяющихся электронных лавин, образующих проводящий канал между электродами и грунтом. Вторая стадия ИР – главный разряд (как в молниевом разряде)–происходит вдоль канала, образованного стримером, а по своим характеристикам близка к дуговому разряду, для которого существенна высокая электронная эмиссия катода и термическая ионизация в плазменном столбе.

При возрастании напряженности ЭП более 10⁹ В/м. происходит автоэлектронная (туннельная) эмиссия электронов [6(с.295)]. Механизм автоэлектронной эмиссии (АЭ) объясняют тем, что внешнее ЭП превращает существующий на границе тела и препятствующий выходу электронов потенциальный порог, в барьер конечной ширины и уменьшает его высоту, вследствие чего становится возможным квантовомеханическое туннелирование электронов сквозь барьер (выдавливается как фонтан с поверхности воды). При этом энергия ЭП затрачивается только на ускорение эмитированных электронов [6(с.296)].

Электроны являются инициаторами возникновения процесса ионизации в газах, сопровождаемого так называемым «электронным ударом». Энергия ионизации воздуха составляет 30 — 40 эВ. Более тяжелые положительные ионы также могут вызвать ударную ионизацию нейтральных молекул за счет энергии, нарастающего электрического поля. Ионизация ионами становится заметной при очень высоких энергиях (более 200 эВ). Воздействие фотонов (квантов излучения) также является одной из причин ионизации, если энергия фотона hƒ превышает потенциал ионизации газа V_F, т.е. hƒ > eV_F, где e – заряд электрона; h – постоянная Планка. Чем выше частота квантов, тем больше вероятность ионизации. По степени эффективности воздействия такими излучениями могут быть: СВЧ, ИК, видимый свет, УФ и ионизирующие излучения [6(с.201)].

Во многих литературных источниках по заземлениям на эти механизмы пограничной передачи униполярной энергии и снижения причин задержки процессов ионизации не обращалось внимания, несмотря на многие факты натурных измерений.

Например, при токе МР I_м = 13 кА в вертикальных электродах напряжение пробоя достигает 300 кВ. См. рис.1 [5 (рис. 10.13)], где Z – импульсное (волновое) сопротивление электрода в грунте (почве), Ом.

Рисунок 1. Сравнение опытных и расчетных значений напряжения, тока и сопротивления вертикального электрода во время прохождения импульсной волны (верхняя часть кривой при возрастании тока, нижняя – при его снижении); _____опыт; ——расчет [5].

Максимальная энергия, которая может быть выделена в электродах заземлителя при разряде в грунт тока 13 кА, действующего, например, в течение 100 мкс при напряжении 300 кВ, составит W=390 кДж. Эта энергия, сопоставима с энергией небольшого артиллерийского снаряда, вызовет ударную волну, сопровождаемую механическими колебаниями смежных электродов на своих резонансных частотах. Виброперемещения электродов уплотняют окружающий грунт. В образовавшийся зазор затекает вода. Влага на поверхности электродов препятствует протеканию тока МР в грунт, задерживая развитие процесса ионизации (в нелинейном режиме), повышает порог искрового разряда (ИР) в грунт из-за большой электрической прочности влаги [5 (стр. 300)], ускоряет механизм электрохимической коррозии.

Одним из недостатков нормативных заземлителей заключаются в их высокой искроопасности из-за низкой эффективности передачи энергии тока МР в грунт — растекание тока намного меньше 50%, что не соответствует требованиям п. 4.5 [2]. ИР высокой энергии инициируют электрические и механические резонансные явления в самих элементах МЗ и в смежных элементах конструкций и цепях заземлений. Вызывают большие амплитуды наводок в несимметричных электросетях типа TN, которые требуют проведения дополнительных работ по выравниванию потенциалов в зданиях и сооружениях, в информационных сетях [2,3,4].

Воздействия сезонных условий, виброудара, коррозионных процессов на заземлитель снижают активную площадь соприкосновения поверхности электродов с грунтом. В результате приходиться создавать разветвленную сеть заземляющих устройств, чтобы обеспечить низкие значения сопротивлений заземлений не превышающие значений 0,5; 2; 4 и 8 Ом по нормам электробезопасности п.1.7.103 [3], требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС) и искробезопасности (ИБ).

Безыскровой коронирующий заземлитель

Альтернативный безыскровой заземлитель (БЗ) относится к средствам защиты объектов 12 (рис.2 — 4) различного назначения при прямом или близком воздействии МР, ЭМИ, коротких замыканий и коммутаций токов в электросетях, разрядов статического электричества. Обеспечивает безыскровое стекание в грунт тока импульсов длительностью до единиц наносекунд. Безыскровое стекание обеспечивается путем отвода тока через множество проволочных остриев 2, которые инициируют по мере нарастания фронта импульса сначала тихий, тлеющий, начиная от напряжений 100 – 300 В, а затем коронный и дуговой разряды в грунт, минуя условия развития искрового разряда. V-образные или одиночные острия, утолщенные к основанию, располагаются на традиционных круглых 1 и 8 или плоских 7 электродах [1,2,3].

Центральный вертикальный электрод 1 (рис. 2) БЗ, расположен ниже уровня грунта 14. Верхняя часть заземлителя 9 выполнена в виде проволочного купола 5 и соединена с молниеотводом (или главной заземляющей шиной). Средняя часть центрального электрода 1 через горизонтальные электроды 8 соединена с заглубленными внешними вертикальными электродами 6 (рис. 3), которые соединены плоскими шинами 7 с плоской шиной 11, образующей контур защищаемой площади (рис. 4), а нижние концы 3 вертикальных электродов (1, 6) имеют вырезанные наружу клинья 3, расположенные в объеме искропоглощающей смеси 4, размещенной на бетонитовом (полупроводящим) основании 13.

Для каменистых грунтов предлагается конструкция БЗ, выполненная в виде центрального укороченного вертикального электрода, расположенного выше уровня грунта. Верхняя часть электрода соединена с молниеотводом, а нижняя его часть соединена с не менее чем тремя горизонтальными электродами по лучевой схеме, уложенными в насыпной грунт, причем нижние концы электродов с вырезанными наружу клиньями расположены в коробе с искропоглощающей смесью.

Технический результат заземлителя заключается в использовании множества проволочных остриев, диффузно рассеивающих переменные и импульсные токи в воздушные включения и в грунт без искровых разрядов путем одновременного стекания зарядов со всей поверхности электродов заземлителя, шунтируя дальнейшее нарастание напряженности ЭП. Энергии ЭП становиться недостаточно для развития искрового разряда.

Нарастание ЭП на электроде вызывает на кривизне каждого острия мгновенное повышение напряженности поля, которое вблизи острия разгоняет свободные заряды в воздушных включениях и частицах грунта, ионизируя их. Создается область пространственного заряда, откуда ионы того же знака, что и острие, выталкиваются полем, увлекая за собой атомы газа и «легкие» частицы материала грунта, создавая в пространстве вокруг электрода расширяющуюся ионизированную зону, в которой поглощается энергия тока МР по мере удаления от электрода. Затухание токов импульсов большой длительности дополнительно происходит за счет микроразрядов в засыпной смеси 4, состоящей из металлических опилок, угля (графита) и песка.

Затухание напряжений с высокой крутизной фронта нарастания осуществляется за счет снижения импеданса в обоих направлениях при протекании униполярных токов снизу и сверху по эквипотенциальным поверхностям проволочного купола, действующему как а/м глушитель.

Плавные изгибы и дополнительные искривления соединений электродов с горизонтальными шинами действуют как компенсаторы теплового и механического воздействия грунта и на грунт. Различная длина горизонтальных лучей, в том числе, необходима для исключения резонансных явлений, вызванных электрическими ударными воздействиями больших токов МР, ЭМИ, механическими ударами при воздействиях на надземный объект и грунт землетрясений, близких взрывов, ударных волн, движений транспортных средств.

Острия могут быть покрыты электроположительным веществом типа окиси бария, снижающим работу выхода электронной эмиссии тока с остриев до 2 эВ, вместо 4-5 эВ без покрытия или загрязненных.

В момент прекращения тока МР, напряжение на токоотводе и на входе заземлителя по правилу Ленца скачком изменит свою полярность. Чтобы исключить возможность вспышки ИР от этого воздействия, амплитуда напряжения скачка будет ограничиваться благодаря рассеивающим свойствам двойного проволочного купола в грунте, установленного на верху центрального электрода, путём веерного растекания тока по его поверхности в грунт.

Рисунок 2. Центральный электрод БЗ в монтажном колодце

Рисунок 3. Внешний электрод БЗ в монтажном колодце

Рисунок 4. План размещения электродов

При реализации заявленной конструкции элементов следует ожидать возможные характеристики БЗ:

-разряд импульсных токов от единиц микроампер до единиц ампер с каждого острия ( динамический диапазон не менее 10⁶ раз);

-пред разрядное время — 20-50 наносекунд. В нормативном заземлителе задержка искрового разряда – десятки — сотни микросекунд [5(с.308)];

-эффективность использования поверхности электродов — более 10 раз;

-снижение импульсного сопротивления Z заземлителя и его малая зависимость от сезонных условий и характера грунта;

-снижение помех в сетях электроснабжения, управления и связи в зданиях;

-снижение риска появления вспышек восходящих ионизированных каналов, искровых разрядов вдоль поверхности грунта в местах соединений заземлителя с токоотводом [7,8];

-снижение возможных механических и электрических резонансных явлений в заземлителе за счет неравномерной длины горизонтальных электродов, применения сыпучей искроразрядной смеси.

Заключение

Эффективность БЗ для систем МЗ и безопасности электроснабжения будет обеспечиваться по принципу «закопал и забыл», используя существующую конструктивную базу традиционных заземлителей.

2.Технология сборки и монтажа заземлителя приведены в [1]. Особенности заземлителя для систем МЗ приведено в [8]. Применение заземлителя совместно с системой МЗ, оснащенной купольно-конусным молниеприемником, блокирующим развитие восходящих и нисходящих МР в защищаемый объект, приведено в [7, 8].

Список литературы

Патент на изобретение «Безыскровой заземлитель (варианты)» № 2462802 с приоритетом от 30.03.2011г. Опубл.:27.09.2012г. Бюл. №27. Авторы: Рябов Ю.Г., Ермаков К.В. RU.
СО 153-34.21.122-2003. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. Утв. приказом Минэнерго России 30.06.2003 г. №280, с.66.
Правила устройства электроустановок.7-ое издание.- М.: ЗАО «Энергосервис»,2008.-696 с.(ПУЭ).
ГОСТ Р 50571.5.54-2013/МЭК 60364-5-54:2011. Электроустановки низковольтные. Часть 5-54. Заземляющие устройства, защитные проводники и защитные проводники уравнивания потенциалов.
Бургсдорф В.В., Якобс А.И. «Заземляющие устройства электроустановок». М.: Энергоиздат, 1987. – с.400.
Г.Мирдель. Электрофизика. (Пер. с немецкого под ред. В.И. Раховского). Изд. «Мир». М., 1972, с.608.
Патент на изобретение №2456727 от 20 июля 2012г.(RU). «Способ молниезащиты и устройство для его реализации». Авторы: Рябов Ю.Г., Тюренков С.Н.
Рябов Ю.Г., Ермаков К.В., Тюренков С.Н. Принципы модернизации молниезащиты жилых домов и сооружений. Технологии ЭМС. №2, 2014г. С.47-55.[schema type=»book» name=»Безыскровой заземлитель для систем молниезащиты и энергетики» description=»Недостатками нормативных заземлителей в системах молниезащиты и энергетических средств, являются: высокое напряжение искрового пробоя, зависимость от состояния грунта, отсутствие согласования с токоотводами и т.п. Защищенная патентом на изобретение, предложена конструкция коронирующего безыскрового заземлителя, обеспечивающая надежный отвод токов во всех условиях эксплуатации объектов.» author=»Рябов Юрий Георгиевич, Ермаков Константин Васильевич, Ломаев Гелий Васильевич» publisher=»Басаранович Екатерина» pubdate=»2016-12-14″ edition=»euroasia-science_6(27)_23.06.2016″ ebook=»yes» ]

euroasia

Похожие записи