Если молния ударила в трансформатор

Защита от импульсных перенапряжений

Импульсное перенапряжение происходит из-за техногенных и природных катастроф:

• прямой или емкостный, гальванический или индуктивный удар молнии;
• электромагнитная индукция в металлических линиях длиной в несколько километров;
• электростатический заряд и коммутационные события в электросетях с высоким напряжением.

Прямой удар молнии

Разряд молнии имеет высокие амплитуды тока, которые могут достигать показателей более 400 кА. Средние показатели в странах Восточной Европы – 30-50 кА.

При попадании молнии в объект за доли секунды увеличивается потенциал защитных заземленных проводников электрической установки и ее корпуса. Таким образом, в сеть питаний и силовые системы начинает проходить выравнивающий высокий электроток из заземленного оборудования. Одновременно на протяженных участках линии, не соединенных с системой компенсирования потенциалов, индуцируется высокое напряжение.

Удар молнии в телекоммуникационную сеть и линии низкого напряжения

При удаленном ударе молнии по такой сети импульс напряжения с высокой амплитудой распространяется со скоростью света и может повредить электронное оборудование. Поэтому компьютеры, телефонные станции, управляющие и измерительные приборы, факсы, регуляционное оборудование может быть повреждено еще до первого замеченного удара молнии.

Удар молнии в линии высокого и сверхвысокого напряжения

При попадании молнии в сети с высоким и сверхвысоким напряжением, трансформатора частично снижают энергию импульса в электросетях низкого напряжение, но перенапряжение все же попадает в эти линии, используя другие пути:

• через емкостную связь между обмотками;
• через индуктивную связь между линиями отвода низкого напряжением и линиями подвода высокого напряжения;
• через прямую трансформацию межу обмотками;
• через гальваническую связь;
• через общее заземление линий с низким и высоким напряжением.

Непрямой удар молнии

Даже если удар молнии не приходится на объект, оборудование или линию, в электрической сети может возникнуть импульсное напряжение через гальваническую связь с заземлением, или через индуктивную и емкостную связь разделенных гальванически линий. Импульсное перенапряжение может возникнуть на расстоянии нескольких километров.

Разряд «облако – облако»

Если разряд молнии проходит между облаками, то на поверхности возникает зеркальный разряд, индуцирующий напряжение в линиях передачи данных и силовых кабелях. Последствия проходящей волны с высокой амплитудой аналогичны удару молнии в телекоммуникационную сеть.

Коммутация линий низкого напряжения

Перенапряжение сети переходного типа могут возникать:

• при коротком замыкании в электрической сети;
• при присоединении, выключении, включении емкостных и индуктивных нагрузок.

Переключения и коммутация в линиях высокого и сверхвысокого напряжения

Перенапряжение коммутационного типа в сетях с высоким и сверхвысоким напряжением через паразитные индукционные и емкостные связи переносится в линии с низким напряжением. Последствия этого процесса аналогичны отдаленным разрядам молнии.

Электростатический разряд

Такой разряд возникает из-за механического трения нескольких изоляционных материалов и имеет локальный характер действия. Избежать его можно благодаря использованию подходящих материалов, ионизацией и проводящим покрытием. Важно учитывать, что индукция и связи в здании ослаблены стенами. Если в железобетонных стенах арматура соединена не должным образом, то это влияние увеличивается.

Везде, где телевизионные и радиоприемники ловят сигнал на внутрикомнатную антенну, может возникнуть индуктивное перенапряжение от удаленного удара молнии.

Нередко причиной перенапряжения становится промышленная деятельность. Это в первую очередь касается переходных процессов, связанных с отключением и включением больших нагрузок:

• трансформаторов;
• большихдвигателей;
• индукционных нагревателей.

По подтвержденным данным, ущерб в таких случаях может нанести и кофемолка.

Источником перенапряжения в информационных линиях может быть переходное затухание, возникающее при совмещении таких линий с силовыми проводами. Особенно, если для электрической сети характерны постоянные коммутации энергетических потребителей.

При прямом ударе молнии амплитуда перенапряжения может доходить до мегавольт, при косвенных – сотни киловольт. При коммутации линий высокого и сверхвысокого напряжения показатели низкого напряжения на выходе с трансформатора показали амплитуду около 15 киловольт.

При коммутации в сетях с низким напряжением амплитуда перенапряжения составляет от десятков до тысяч вольт. Это возникает не только при использовании мощных потребителей, но и небольших приборов:

• копировальных аппаратов;
• пылесосов;
• светильников;
• морозильников.

Перенапряжения при электростатическом разряде достигает несколько десятков тысяч вольт, но при этом его энергетический потенциал не значителен.

Одной из важнейших характеристик перенапряжения является время.

Последствия импульсного перенапряжения зависят от энергии и амплитуды.

1.Если амплитуда превышает нормативные показатели, то могут возникать искровые разряды и пробои, которые способны вызвать заметные изменения на макроуровне частей или всего оборудования.

2.Причиной подобных последствий может стать и меньшее перенапряжения, когда возникают пробои N-P переходов и испарение металлизированных покрытий интегральных схем. Если на микроуровне повреждения незаметны, то они проявляются в виде помех на плате.

3.При резком нарастании импульса в транзисторах и тиристорах при резком включении могут происходить пробои. Последствия таких процессов катастрофические.

Неисправное функционирование:

• резкий срыв работы тиристоров;
• ошибка в программном обеспечении по обработке данных;
• уничтожение информации в банке данных;
• ошибка в переносе данных.

Быстрый износ – перенапряжение приводит к снижению срока службы основных элементов оборудования.

Избавиться от импульсных перенапряжений невозможно, но предовратить пробои можно используя устройства УЗИП.

Источник

Гроза, молния и средства защиты электросети своими силами

По итогам майских гроз пришлось провести ревизию сгоревшего оборудования и хотя ущерб был не так велик материально, но выход из строя некоторого оборудования нарушил устоявшийся комфорт проживания в собственном доме. Так я решил обратиться к специалистам в своей области, проконсультироваться и расширить систему защиты.

Исходные данные: дом, 3 фазы (15 кВт на дом), заземление штырем в 3 м длиной, автономная электросистема на базе солнечных батарей

На фото результат короткого замыкания со стороны линии 10 КВ. Защита не отработала на районной подстанции. Так выглядит вводной щит со стороны 0.4КВ. Автомат IEK на 100А не смог разорвать дугу между губками. Далее по линии стоял МАП HYBRID 9кВт 48В. Отделались легким испугом: в инверторе поменяли варистор, после чего МАП ожил, правда, перестал нормально работать порт RS232. То есть серьезная авария на подстанции, которая сожгла автоматический предохранитель на 100 Ампер, отразилась на инверторе только сгоревшим варистором и ошибками на контроллере, а весь прочий функционал устройства сохранился, как и вся техника, подключенная после него – достойная похвалы работа.

А ниже на фото узел учета со стороны 10 КВ

Эта авария случилась не в моем доме, но мне эти фотографии передали специалисты компании МикроАРТ. В свое время я решил переключиться на оборудование российского производителя для своей гибридной солнечно-сетевой электросистемы и описывал эти устройства тут и тут.
У меня же был следующий случай: во время грозы молния ударила в мою подстанцию или рядом, в результате чего отработала защита на вводе в дом. Результатом той грозы явилось сгоревшее зарядное устройство аккумуляторов, подключенное к сети в момент грозы, сгоревшее реле автоматики вентиляции (реле питалось от линии, которую поддерживало то самое ЗУ), а инвертор МАП Hybrid 4.5 кВт начал мигать экраном и перестал генерировать. После грозы перезапуск всех систем вернул дом к электроснабжению, инвертор запустился без проблем, а я задумался о серьезной защите домашней электросети.

Во время грозы в обычной квартире или офисном здании должны отработать защиты, установленные стационарной электросетью. В коттеджном поселке, деревне или на дачах защита, как правило, ограничивается вкопанным заземлением на подстанции и предохранителем, отключающим всю сеть от работы. Причем, по правилам подключения, заземление должно быть смонтировано также на каждом втором столбе и отдельно на конечном, где производится подключение абонентского дома. Пройдя по свой деревне и осмотрев более полусотни столбов, я не нашел ни одного заземления, то есть остается полагаться только на себя.

Вторым «убийственным» фактором является наведенное электричество. Во время молнии происходит довольно мощный всплеск ЭМИ, а проводка дома, по сути, является большой антенной. Чем ближе молния, тем больше вероятность скачка напряжения во внутренней сети. С таким явлением постоянно сталкивались и продолжают сталкиваться монтажники домовых локальных сетей, когда свитчи без заземления, во время грозы, сгорают целыми цепочками.

Итак, нам нужно защититься от внешнего импульса, который может прийти с подстанции и от внутреннего скачка, который может случиться при молнии рядом с домом.

Если Ваш дом находится на возвышении, далеко от любых строений и является высшей точкой на местности, то лучше озаботиться молниеотводом. Устройство это надежное, но необходимо четко высчитать площадь покрытия. На эту тему есть масса материалов в сети. Скажу только, что действие молниеотвода распространяется конусом от высшей точки к земле. Для «прикрытия» всего дома надо ставить либо два молниеотвода с металлическим тросом между ними, либо один, но довольно высоко. Если заземление молниеотвода выполнено отдельно от общего заземления, то необходимо применить систему уравнивания потенциалов.

Выдержки из ИНСТРУКЦИИ ПО УСТРОЙСТВУ МОЛНИЕЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ РД 34.21.122-87:
«В качестве заземлителей молниезащиты допускается использовать все рекомендуемые ПУЭ заземлители
электроустановок, за исключением нулевых проводов воздушных линий электропередачи напряжением до 1 кВ. „
“2.5. Для исключения заноса высокого потенциала в защищаемое здание или сооружение но подземным
металлическим коммуникациям (в том числе по электрическим кабелям любого назначения) заземлители защиты от
прямых ударов молнии должны быть по возможности удалены от этих коммуникаций на максимальные расстояния,
допустимые по технологическим требованиям. „

Опасность ввода высокого напряжения страшна не только в грозу, но и при перехлестывании проводов на столбах или большом перекосе фаз. Обычное дело для деревенских электросетей, когда напряжение по фазам может составлять 180, 200 и 240 В. ГОСТ допускает подачу питания с отклонением напряжения до 10% (если точно, то +10% и -15%) от нормы в 220 в, то есть от 187 до 242 В. Но не вся поставляемая аппаратура может выдержать такие перепады напряжения. Для обычной защиты лучше всего применять стабилизаторы напряжения. Причем есть трехфазные и однофазные стабилизаторы. Чаще всего три однофазных стабилизатора будут работать лучше одного трехфазного, хотя бы потому, что у простейших устройств отслеживается напряжение по одной фазе и изменение (увеличение или снижение) напряжения происходит по всем трем. Упрощенно: при подъеме напряжения со 180 до 220 В, произойдет рост напряжения на другой фазе с 210 до 250 В, что чревато для оборудования. Поэтому отслеживание каждой из фаз будет надежнее. Кроме того, можно выделить несколько типов стабилизаторов:

• ЛАТР
• Релейный
• Симисторный

Первый обладает высокой точностью установки напряжения, поскольку моторчик скользит водилом по обмоткам и задает нужное напряжение. Плюсы: низкая цена, высокая точность выдаваемого напряжения. Минусы: низкая скорость реакции на скачки напряжения, физический износ механики
Второй обладает повышенной скоростью переключения обмоток трансформатора, но так как мощности могут достигать десятка и более кВт, то контакторы реле изнашиваются и рано или поздно могут залипнуть, что приведет к печальным последствиям. Плюсы: доступная цена, достаточная скорость переключения. Минусы: недостаточная надежность ввиду использования механических реле.
Третий тип наиболее интересный, но и наиболее дорогой. Использование мощных ключей позволяет мгновенно реагировать на изменение входного напряжения и переключать обмотки трансформатора. Физического износа, как и залипания контактов попросту нет. Кроме того, переключение происходит при переходе синуса через ноль, поэтому и скачки также исключены. Плюсы: высокая скорость срабатывания, отсутствие физического износа. Минусы: высокая цена.

Для себя я выбрал более дорогой, но и более надежный вариант, стабилизатор с симисторным управлением СН-LCD “Энергия» на 6 кВт. Так как у меня уже стоит инвертор на 4.5 кВт, который в пике может выдавать до 7 кВт, то решено было выбрать стабилизатор с номинальной мощностью 6 кВт и возможностью выдавать в пике до 7.4 кВт.

Об особенностях работы этих стабилизаторов и какие вообще бывают стабилизаторы можно подробно прочитать здесь.
Ну а мне было интересно его разобрать и посмотреть, что там внутри.

Как видно из фото, стабилизатор использует тороидальный трансформатор, который при тех же размерах, что Ш-образный, имеет больший КПД и меньший вес. Сам трансформатор изготовлен в Туле, а стабилизатор разработан и собран в Москве. Таким образом можно смело заявлять о полностью российском производстве, которое сумели организовать и сохранить в компании МикроАРТ.

Итак, я подстраховался от проседания и роста напряжения в диапазоне 125-275 Вольт, но что делать, если будет резкий скачок напряжения, сильно выходящий за эти пределы? Инвертор как-то показал мне по фазе 287 В, после чего ушел в защиту. Но подай на него 380 В и он попросту сгорит, как и стабилизатор. Хотелось защитить дорогое оборудования. Требовался какой-то расцепитель, который при пороговых значениях напряжения отключал бы внешнюю сеть. Лучше уж остаться без сети, чем потом чинить или менять сгоревшее оборудование. Выход был найден — реле контроля сетевого напряжения УЗМ-51M1.

Этот девайс создан для обеспечения работы одной фазы, при этом можно вручную задавать верхний и нижний пороги напряжения, при которых реле будет срабатывать. Время отключения составляет около 20 мс, что является очень неплохим показателем. При этом, небольшие просадки или некоторое превышение напряжения не вызовут моментального отключения, а запустится таймер отключения. При возврате параметров к норме реле самостоятельно подключит нагрузку к сети. Итак, домашние устройства защищены от перепадов и скачков внешней электросети при помощи реле контроля напряжения и стабилизатора. В случае исчезновения сети начинает работать инвертор. А что делать, если внешняя сеть уже отключена, молния бьет рядом и проводка дома работает, как антенна?

Будем исходить из того, что все розетки имеют правильную разводку, заземление выполнено должным образом и лишний заряд стекает в землю. Но скачок напряжения во внутренней сети легко губит всю технику, поскольку все защиты стоят для обороны от внешних скачков. А вот от внутренних наводок ничего нет. С этой мыслью я обратился к инженерам МикроАРТ, когда забирал стабилизатор и мне порекомендовали «Устройство защиты от молний и наводок» — УЗИП.

Это своеобразный разрядник, который при появлении критического напряжения между фазой и землей пропускает через себя импульс, отправляя его на заземление. То есть во время грозы, когда молния ударит рядом и напряжение в домашней сети поднимется до нескольких киловольт по фазному проводу относительно земли и превысит определенное значение, этот УЗИП просто пустит весь заряд в землю. Поэтому он ставится перед инвертором, одним концом подключаясь к фазе, а другим к заземлению. Стоит учесть, что разряд может быть существенным, поэтому на сечении заземляющего провода экономить не стоит, иначе сопротивление провода может оказаться критичным и не успеть передать импульс в землю.

Так выполнено подключение к внешней сети и генератору:

Я уже упоминал, что у меня есть автономная система на солнечных батареях. По проводам, идущим от солнечных батарей, также может прийти серьезный импульс, выводя из строя солнечный контроллер, а за ним и инвертор. Поэтому на каждый из проводов от солнечных батарей я также повесил УЗИП.

На самый аварийный случай, когда внешней сети нет, солнца не видно, а аккумуляторы уже сели, у всех автономщиков есть резервный вариант — бензо\дизель генератор. Он позволит домашней сети функционировать, самому поработать мощным инструментом, да еще и аккумуляторы подзарядить. Подобную топологию резервирования я описывал в своем материале тут. Проблема такого подключения заключается в том, что большинство генераторов выдают крайне нестабильное и «шумное» питание. Иной раз инверторы или зарядники просто не могут работать с таким питанием. Для подавления помех есть специальный сетевой фильтр. Можно обойтись стандартным «пилотом», но он рассчитан, как правило, на мощность до 2-3 кВт, а от генератора зачастую потребляется больше. Итак, я нашел еще и ЭМИ (электромагнитный импульс) фильтр: Сетевой фильтр подавления ЭМП.

Он выдерживает потребляемую мощность до 11 кВт, чего вполне достаточно для питания целого дома, если имеется мощный генератор. Он имеет сквозное подключение и отдельный контакт для заземления.

Результатом одной грозы и малых потерь явилось переосмысление способов защиты, как от внешних энергетических коллизий, так и от внутренних. Кроме того, увеличилась защищенность всех электроприборов в доме, как от перепадов напряжения, так и от резких скачков и импульсов. Дополнительно повысилась автономность за счет подключения генератора через фильтр, что гарантирует стабильный заряд батарей и нормальную работу инвертора.
В итоге, электросистема поменялась. До:

Так стало ПОСЛЕ установки защиты:

Схема подключения генератора довольно проста. Любой из проводов объединяется с имеющейся землей и нулем, заведенным в дом. Второй провод после этого становится фазой. Важно выбрать такой переключатель, который будет исключать одновременное замыкание фазы генератора и фазы с подстанции.

Первый запуск всей системы выглядел так:

Источник