ГОСТ Р 55630-2013 /IEC/TR 62066:2002 Перенапряжения импульсные и защита от перенапряжений в низковольтных системах переменного тока. Общие положения.

   

     ГОСТ Р 55630-2013/IEC/TR 62066:2002

 

Группа Е71

 

 

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

 

ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫЕ И ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В НИЗКОВОЛЬТНЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

 

Общие положения

 

Surge overvoltages and surge protection in low-voltage a.c. power systems. General basic information

ОКС 29.020

         91.140.50

ОКП 34 6400

Дата введения 2015-01-01

 

      

     

Предисловие

   

1 ПОДГОТОВЛЕН Московским институтом энергобезопасности и энергосбережения на основе аутентичного перевода стандарта, указанного в пункте 4

 

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 337 "Электрические установки зданий"

 

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 6 сентября 2013 г. N 982-ст

 

4 Настоящий стандарт идентичен международному документу IEC/TR 62066:2002* "Перенапряжения и защита от выбросов напряжения в низковольтных системах переменного тока. Общая основная информация" (IEC/TR 62066:2002 "Surge overvoltages and surge protection in low-voltage a.c. power systems - General basic information").

________________

* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. - Примечание изготовителя базы данных.

           

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного документа для приведения его в соответствие с вновь принятым наименованием серии стандартов МЭК 60364.

 

При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА.

 

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

 

Правила применения настоящего стандарта установлены в ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства  по техническому регулированию в сети Интернет (gost.ru)

 

 

      1 Область применения

Настоящий стандарт представляет общий обзор различных видов импульсных перенапряжений, которые могут произойти в низковольтных электроустановках, приводит типовые по величине и продолжительности импульсные перенапряжения, а также частоту их возникновения.

 

Стандарт содержит информацию о перенапряжениях, связанных с взаимным влиянием между собой систем электроснабжения и коммуникационными системами, приводит общие руководящие указания по выбору средств защиты от перенапряжений и построению системы электроснабжения с учетом обеспечения ее экономичности и надежности, включая вопросы взаимодействия и координации защитных устройств при временных перенапряжениях.

 

 

      2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие документы*.

_______________

* Таблицу соответствия национальных стандартов международным см. по ссылке. - Примечание изготовителя базы данных.

 

           

МЭК 60364-4-44:2007, Электрические установки низкого напряжения. Часть 4-44. Защита для обеспечения безопасности. Защита от резких отклонений напряжения и электромагнитных возмущений

 

IEC 60364-4-44:2007 Low-voltage electrical installations - Part 4-44: Protection for safety - Protection against voltage disturbances and electromagnetic disturbances

 

МЭК 60664-1:2007 Координация изоляции для оборудования в низковольтных системах. Часть 1. Принципы, требования и испытания

IEC 60664-1:2007 Insulation coordination for equipment within low-voltage systems - Part 1: Principles, requirements and tests

 

МЭК 61000-2-5:1995, Электромагнитная совместимость (EMC) - Часть 2: Окружающая среда - Раздел 5: Классификация электромагнитных сред. Основная публикация ЕМС

 

IEC 61000-2-5:1995 Electromagnetic compatibility of technical equipment. Electromagnetic environment. Classification of electromagnetic disturbances for different locations of technical equipment

 

МЭК 61000-4-1:2006 Электромагнитная совместимость. Часть 4-1. Методики испытаний и измерений. Общий обзор серии стандартов

 

IEC 61000-4-1:2006 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-1: Testing and measurement techniques - Overview of IEC 61000-4 series

 

МЭК 61000-4-4:2004 Электромагнитная совместимость. Часть 4-4. Методы испытаний и измерений. Испытание на невосприимчивость к быстрым переходным процессам и всплескам

 

IEC 61000-4-4:2004 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-4: Testing and measurement techniques - Electrical fast transient/burst immunity test

 

МЭК 61000-4-5:2005 Электромагнитная совместимость. Часть 4: Методики испытаний и измерений. Раздел 5: Испытание на невосприимчивость к выбросу напряжения.

 

IEC 61000-4-5:2005 Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-5: Testing and measurement techniques - Surge immunity test

 

МЭК 62305-1:2010 Защита от молнии. Часть 1. Общие принципы

 

IEC 62305-1:2010 Protection against lightning - Part 1: General

 

МЭК 62305-2(2010) Защита от молнии. Часть 2. Управление риском

 

IEC Protection against lightning - Part 2: Risk management

 

МЭК 62305-3:2010 Защита от молнии. Часть 3. Физические повреждения конструкций и опасность для жизни

 

IEC 62305-3:2010 Protection against lightning - Part 3: Physical damage to structures and life hazard

МЭК 62305-4:2010 Защита от молнии. Часть 4. Электрические и электронные системы внутри конструкций

 

IEC 62305-4:2010 Protection against lightning - Part 4: Electrical and electronic systems within structures

 

МЭК 61643-11:2011 Устройства защиты от перенапряжений низковольтные. Часть 11. Устройства защиты от перенапряжений, подсоединенные к низковольтным системам распределения электроэнергии. Требования и методы испытаний

 

IEC 61643-11:2011 Low-voltage surge protective devices - Part 11: Surge protective devices connected to low-voltage power systems - Requirements and test methods

 

МЭК 61643-12:2008 Устройства защиты от перенапряжений низковольтные. Часть 12. Устройства защиты от перенапряжений, подсоединенные к низковольтным системам распределения электроэнергии. Принципы выбора и применения

 

IEC 61643-12:2008 Low-voltage surge protective devices - Part 12: Surge protective devices connected to low-voltage power distribution systems - Selection and application principles МЭК

 

ITU-T K 20, Стойкость телекоммуникационного оборудования, установленного в телекоммуникационных центрах к перенапряжениям и сверхтокам

 

ITU-T K 20 Resistibility of telecommunication equipment installed in a telecommunications centre to overvoltages and overcurrents

 

ITU-T K 21, Стойкость телекоммуникационного оборудования, установленного в помещении клиентов к перенапряжениям и сверхтокам

 

ITU-T K 21 Resistibility of telecommunication equipment installed in customer premises to overvoltages and overcurrents

 

 

      3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

 

3.1 комбинированная волна: Волна, вырабатываемая генератором, который дает 1,2/50 импульс напряжения при разомкнутой цепи и 8/20 импульс тока для короткозамкнутой цепи. Напряжение, амплитуда тока и формы волны, которая передается на УЗИП, определяются генератором и импедансом УЗИП, к которому прикладывается импульс. Отношение максимального напряжения для разомкнутой цепи к максимуму тока короткозамкнутой цепи составляет 2 Ома и определяется как фиктивный импеданс
. Ток короткого замыкания обозначается как
. Напряжение разомкнутой цепи обозначается как
.
 

Примечание - Комбинированная волна, вырабатываемая генератором импульсов в соответствие с определением п.3.24 МЭК 61643-1. может быть применима и к другому оборудованию помимо УЗИП.

 

3.2 объединенное многопортовое УЗИП: Интегрированное устройство импульсной защиты в одном блоке для обеспечения импульсной защиты двух или более портов оборудования, соединенного с различными системами, такими как система питания и коммуникационная система

Примечание - В дополнение к обеспечению защиты от перенапряжения для каждого порта, устройство может также обеспечить уравнивание потенциалов между портами оборудования.

 

3.3 координация УЗИП (последовательное соединение): Выбор характеристик для двух или более УЗИП, которые будут присоединены к одним и тем же проводникам системы, но разделенные некоторым разъединяющимся импедансом так, что параметры данного импеданса и поступающего импульса гарантируют, что при таком выборе энергия, рассеиваемая в каждом из УЗИП, соответствует его параметрам

 

3.4 прямой удар молнии: Удар, воздействующий непосредственно на рассматриваемую конструкцию

 

3.5 уравнивание потенциалов: Электрическое соединение проводящих частей, предназначенных для достижения эквипотенциальности

 

Примечание - В обычных электроустановках уравнивание потенциалов обеспечивает безопасность на промышленной частоте. При скачке тока по длине проводников уравнивания потенциалов неизбежно возникает некоторая разность потенциалов.

 

3.6 доступный объект: Физический объект (например, больница, фабрика, машина, и т.д.), который построен, сконструирован, смонтирован или установлен для выполнения некоторой определенной функции или служащий или способствующий выполнению некоторых конкретных целей

 

3.7 удар молнии в землю: Разряд атмосферного электричества между облаком и землей, состоящий из одного или более раздельных искровых разрядов

 

Примечание - Удар молнии в землю может быть понят не только как удар именно в землю (почву), но также как удар в конструкцию, систему электроснабжения, и т.д., в противоположность разряду от облака к облаку.

 

3.8 система молниезащиты (СМЗ): Полная система для защиты пространства от воздействия молнии. Она включает внешние и внутренние системы молниезащиты

 

Примечание - В некоторых случаях система молниезащиты может состоять только из внешней или внутренней СМЗ.

 

3.9 удар в непосредственной близости: Удар молнии вблизи рассматриваемой конструкции

 

3.10 точка удара: Точка, где удар молнии попадает в землю, конструкцию или в систему молниезащиты

 

3.11 ожидаемое перенапряжение: Теоретическое перенапряжение, которое появилось бы на проводниках системы электроснабжения или пользователя установки до пробоя основной изоляции или срабатывания устройств, ограничивающих перенапряжение

 

3.12 разъединитель УЗИП: Внутреннее или внешнее устройство предназначенное для разъединения УЗИП и системы электроснабжения в случае повреждения УЗИП. Оно предназначается для того, чтобы предотвратить длительное повреждение системы и может обеспечить визуальную индикацию повреждения УЗИП

 

3.13 крутизна: Отношение наклона передней стороны волны импульса, для интервала между 10% и 90% амплитудного значения, к наклону, определенному для интервала между 10% и 30% амплитудного значения

3.14 разряд (молнии): Единичный электрический разряд молнии, ударяющей в землю

 

3.15 импульсное перенапряжение: Кратковременное или переходное напряжение, возникающее в системе, от импульса тока, возникающего из-за атмосферного разряда, индукции, коммутации или непосредственного повреждения в системе

 

3.16 устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП): Устройство, которое предназначено для ограничения переходного перенапряжения и отведения импульса тока. Устройство содержит не менее одного нелинейного компонента

 

3.17 эквалайзер: Устройство, используемое для присоединения оборудования к внешним системам таким образом, чтобы все проводники, подключаемые к защищаемой нагрузке, присоединялись физически и электрически через общую оболочку с общей точкой портов ввода и вывода каждой системы

 

Примечание - Совместное использование общей точки может быть выполнено в пределах устройства или путем непосредственного соединения или через некоторое устройство, такое как УЗИП, которое обеспечивает отделение в нормальных условий, но обеспечивает эффективное соединение во время возникновения импульса в одной или обеих системах.

 

3.18 временное перенапряжение (ВПН): Относительно длительное перенапряжение промышленной частоты в данной установке, которое является незатухающим или слабо затухающим

 

Примечание - Временные перенапряжения обычно происходят из-за коммутационных операций или повреждений (например, внезапное изменение нагрузки, однофазные замыкания) и/или из-за нелинейности (феррорезонансные явления, гармоники).

 

3.19 тепловой пробой: Эксплуатационное условие, когда длительные потери мощности в УЗИП превышают допустимое тепловое рассеяние корпуса и соединений, приводя к увеличению температуры внутренних элементов и, в результате, к повреждению

 

 

      4 Перенапряжения в низковольтных системах

Перенапряжения в низковольтных системах возникают из-за нескольких типов событий или механизмов взаимодействия и могут быть классифицированы по четырем типам. В настоящем стандарте основное внимание уделено первым двум типам перенапряжений и приведены основные указания для третьего типа. Четвертый тип перенапряжений возникает при взаимодействии системы электроснабжения переменного тока с другими системами, такими как коммуникационные системы.

 

a) Грозовые перенапряжения.

 

Грозовые перенапряжения являются результатом прямого удара молнии или удара молнии в непосредственной близости от системы электроснабжения, в здания с системой молниезащиты или без нее или в землю. Удаленный удар молнии также может вызвать перенапряжения в цепях электроустановки. Эти перенапряжения рассмотрены в разделе 5 настоящего стандарта.

 

b) Коммутационные перенапряжения.

 

Коммутационные перенапряжения являются результатом намеренных действий в системе электроснабжения, таких как подключение индуктивной или емкостной нагрузки, переключение в системе передачи или в системе распределения электроэнергии или в низковольтной системе в результате операций конечного потребителя. Такие перенапряжения могут также быть результатом неумышленных событий, таких как нарушения в системе электроснабжения и их устранение. Эти перенапряжения рассмотрены в разделе 6 настоящего стандарта.

 

c) Временные перенапряжения.

Временные перенапряжения происходят в системах электроснабжения, как результат широкого диапазона условий функционирования системы как в условиях нормального функционирование, так и в результате аварий. Обе причины рассмотрены в разделе 7. Их наличие относится к выбору соответствующих УЗИП.

 

d) Системные перенапряжения взаимодействия.

 

Перенапряжения могут возникать между различными системами, такими как электроснабжение и связь, во время скачков тока в одной из систем. Они кратко рассмотрены в разделе 8 настоящего стандарта.

 

 

      5 Грозовые перенапряжения

 

 

      5.1 Основные положения

Молния - естественное и неизбежное событие, которое влияет на низковольтные системы (системы электроснабжения, системы связи) посредством нескольких механизмов взаимодействия. Очевидное взаимодействие - это удар молнии в систему электроснабжения, но и другие механизмы взаимодействия могут также вызвать перенапряжения (см. рисунок 1). Для лучшего представления разнообразия возможных механизмов взаимодействия в настоящем стандарте приведена сводка основных параметров удара молнии между облаком и объектом на уровне земли. На рисунке 2 приведены примеры воздействия удара молнии на типовую сложную электрическую систему.

 

 

Рисунок 1 - Примеры механизмов воздействия при ударе молнии

     

    

 

           

Рисунок 2 - Примеры удара молнии в сложной электрической системе

           

К существенным параметрам молнии относятся: форма волны, амплитуда и частота возникновения перенапряжения. Понятие близкого и удаленного удара молнии включает несколько параметров и связанных с ними воздействий, как это показано в таблице 1.

 

 

 

Таблица 1 - Характеристики и воздействия молнии

 

 

 

 

Характеристики

Прямой удар

Удар вблизи

Удаленный удар

Механическое воздействие

Конструкция

 

 

Тепловое воздействие

Конструкция и цепи

 

 

Энергия

УЗИП на вводе (высокое напряжение)

УЗИП на вводе (среднее напряжение)

УЗИП на вводе (низкое напряжение)

Скорость нарастания тока

Смежные цепи

Близкорасположенные цепи

Большие замкнутые цепи

Повышение потенциала на заземлителе

Смежные цепи

Близкорасположенные цепи

 

Индуктивная связь

Смежные цепи

Близкорасположенные цепи

Большие замкнутые цепи

Емкостная связь

Смежные цепи

Близкорасположенные цепи

 

Резистивная связь

Присоединеные цепи

Близкорасположенные цепи

 

Распространение вдоль проводной линии

     

УЗИП на вводе (высокое напряжение)

УЗИП на вводе (среднее напряжение)

УЗИП на вводе (низкое напряжение)

 

           

Рассматриваются три типа механизмов взаимодействия, которые могут привести к перенапряжениям в низковольтных системах, полученные как в результате измерений, так и полученные путем вычислений. При рассмотрении вопросов перенапряжения важным аспектом рассмотрения является электрический ток сам по себе или как источник перенапряжения. В случае прямого удара молнии в электрическую систему непосредственный эффект возникает от тока молнии, который вызывает перенапряжение на импедансе заземления. Эффективное значение импеданса для тока разряда молнии составляет несколько тысяч Ом. Соответственно, ток молнии может фактически быть рассмотрен, как идеальный источник тока.

 

В случае удара молнии в непосредственной близости от объекта эффект перенапряжения вызывает наличие замкнутых контуров в цепях или резистивных связях, возникающих из-за импульсов тока.

 

В случае удаленного удара молнии скачки перенапряжений ограничиваются наведенными (индуцированными) напряжениями. Реакция электрической системы при ударе молнии является важным аспектом при оценке возникновения возможных импульсов токов и перенапряжений.

 

Для данного удара молнии уровень перенапряжения, появляющегося в установке конечного потребителя, зависит от характеристик линий связи, таких как расстояние и характеристики системы между точкой удара молнии и оборудованием конечного потребителя, способа заземления и импеданса заземления, наличие УЗИП вдоль линий и в распределительных устройствах. Все эти факторы изменяются в широком диапазоне в соответствии с конфигурацией сетей.

 

В настоящем стандарте рассмотрена первая стадия события при ударе молнии в отсутствие средств снижения воздействия (предполагаемых или имеющихся). Оценка первой стадии события ведет к пониманию ожидаемого перенапряжения. На следующем этапе рассматриваются имеющиеся факторы уменьшения воздействия чтобы получить информацию о том, какое предполагаемое перенапряжение может появиться оборудовании конечного потребителя. Могут быть использованы различные механизмы уменьшения воздействия, включая естественное затухание, зависящее от конфигурации системы, и преднамеренное уменьшение путем установки различных УЗИП как со стороны питания, так и у конечного потребителя.

 

В стандарте кратко описываются основные параметры молнии, необходимые для рассмотрения трех типов механизмов воздействия, определенные выше, и оценивается вероятность различных механизмов воздействия.

 

Разряд молнии от облака к земле происходят в двух режимах, в зависимости от соответствующей полярности облака и земли.

 

Удар молнии при положительном потенциале земли состоит из следующих компонентов:

 

- положительный импульсный ток и, возможно,

 

- положительный ток продолжения.

 

Удар молнии при отрицательном потенциале земли состоит из следующих компонентов:

 

- отрицательный импульсный ток начального разряда, и, возможно,

 

- отрицательные импульсные токи последующих разрядов, и, возможно,

 

- отрицательный ток продолжения.

Объекты ограниченной высоты поражаются как при положительном, так и отрицательном потенциале земли. На рисунке 3 приведены взаимосвязанные возможные формы тока молнии.

 

 

Рисунок 3 - Возможные формы волны тока молнии при ударе в наземные объекты

           

Объекты значительной высоты, такие как башни высотой более 100 м, поражаются как при положительном, так и при отрицательном потенциале земли. В этом случае, разряд молнии может быть с током продолжения, но возможно возникновение только тока продолжения.

           

 

    
 

 

Рисунок 4 - Частотное распределение импульсных токов для трех типов удара молнии

Таблица 2 Статистические данные основных параметров при ударе молнии

 

 

 

Параметр молнии

Процентное соотношение

 

50%

5%

Максимальный ток (kA)

 

 

Отрицательные первые импульсы

20

90

Отрицательные последующие импульсы

12

29

Положительно заряженная земля

35

250

Полный заряд (С)

 

 

Отрицательный потенциал земли

8

40

Положительно заряженная земля

80

350

Переходный заряд (С)

 

 

Отрицательные первые импульсы

5

20

Отрицательные последующие импульсы

1

4

Положительно заряженная земля

16

150

Энергия (килоджоуль/2J)

 

 

Отрицательные первые импульсы

55

550

Отрицательные последующие импульсы

6

52

Положительно заряженная земля

650

15000

Максимальный наклон переходного тока (kA/ I js)

 

 

Отрицательные первые импульсы

24

65

Отрицательные последующие импульсы

40

162

Положительно заряженная земля

2

32

Примечание. Эти значения представляют характеристики тока обратного хода в основном канале (измерения были сделаны для минимального уровня).

 

           

Максимальное значение импульсного тока молнии - существенный параметр, который определяет падение напряжения на импедансе заземлителя или объекта и таким образом определяет разность потенциалов между объектом и его окружением. Заряды, передаваемые импульсным током и ток продолжения - существенные параметры, которые вызывают повреждение металлов разрядом молнии. Энергия - существенный параметр, который определяет нагрев проводников током молнии, так же как и механические воздействия от электромагнитных сил.

 

Уровень повышения - существенный параметр для напряжений, вызванных в замкнутых проводных цепях вблизи импульса тока и для последующих токов. Многоимпульсный разряд - основная причина нарушений работы цифровых систем, из-за повторения побочных сигналов для первого импульса и более резкого повышение тока при последующих импульсах.

 

Карта годовой интенсивности гроз приведена на рисунке 5. Для территорий, где действует система наблюдения за молниями, используется информация в соответствии с новыми картами плотности ударов молнии. Карты плотности ударов молнии обеспечивают более точную информацию, чем традиционные карты грозовых дней.

 

Примечание - Карты плотности ударов молнии постепенно заменят карты грозовых дней.

           

    

 

 

Рисунок 5 - Карта интенсивности гроз

 

      

 

      5.2 Грозовые импульсные перенапряжения

Перенапряжения при ударе молнии в электрических системах могут быть классифицированы по их источнику следующим образом:

 

- перенапряжения из-за прямого удара молнии в электрические сети;

 

- перенапряжения в электрических сетях, вызванные ударом молнии в землю на некотором расстоянии;

 

- перенапряжения, вызванные в результате взаимодействием системы через резистивную, индуктивную и емкостную связь с током разряда молнии.

 

5.2.1 Прямой удар молнии в воздушную линию

 

Как отмечалось ранее эффективный импеданс канала молнии имеет высокое значение и ток молнии можно фактически рассматривать как идеальный источник тока. Возникающее перенапряжение определяются эффективным импедансом и пропорционально току молнии. При ударе молнии в проводник воздушной линии импеданс в первый момент определяется импедансом (импульсный импеданс) линии. Этот импеданс (
) обычно находится в диапазоне 400 до 500 Ом для каждого провода. Как показано на рисунке 6, ток (
) первоначально делится на две части, по одной в каждом направлении.
 

           

    

 

 

Рисунок 6 - Прямой удар молнии в воздушную линию

Импульс (
), сгенерированный током в точке удара определяется как (1)
 
,               (1)
 

где

- импульс напряжения (кВ);
 
- импульсный импеданс (Ом);
 
- ток молнии (кА).
 
Для умеренного значения тока 20 кА и импеданса импульса 400 Ом предполагаемое напряжение импульсного перенапряжения в точке удара молнии составляет 4000 кВ. Таким образом для линий среднего напряжения (СН)
и для линий низкого напряжения (НН), искровой разряд будет возникать между всеми проводниками линии и, в большинство случаев, также по отношению к заземлителям, расположенным вдоль линии. После искрового разряда эффективный импеданс уменьшается в зависимости от значения сопротивлений заземлителей. Однако для относительно низкого эффективного импеданса в 10 Ом напряжение на линии составит порядка 200 кВ для тока молнии 20 кА, принятого в этом примере, что может привести к возникновению искрового разряда.
 

________________

В данном стандарте трансформатор распределительной подстанции будет использоваться в качестве границы между низковольтной системой -  до 1000 В - и системой основного напряжения. Последнее, независимо от его значения, будет упоминаться как "напряжение среднего уровня", независимо от практики разделения между "напряжением среднего уровня" и "напряжением высокого уровня" системы.
 
Частота ударов молнии в линию зависит от локальной плотности грозовой активности и параметров линии (особенно ее высоты) и возможных эффектов экранирования. Для линий, расположенных на открытом пространстве, число ударов молнии в линию может быть определено как для полосы шириной в три высоты линии (
). Эффективная площадь (
) может быть определена:
 
,        (2)
 

где

- эффективная площадь;
 
- высота;
 

- длина линии
 
Число ударов молнии в год (
) определяется  умножением
на локальную плотность ударов молнии (
) следующим образом:
 
,             (3)
 

где

- число ударов молнии в год;
 
- эффективная площадь (м
);
 
- локальная плотность ударов молнии на км
ежегодно.
 
Для линии высотой 5 м и
, равной 1,
равняется 0,03 на км линии ежегодно, то есть, три удара на 100 км линии ежегодно.
 

5.2.2 Грозовые перенапряжения, индуцированные в линии

 

Из-за изменений электромагнитного поля, вызванных ударом молнии, индуцированные перенапряжения возникают в линиях всех видов, включая расположенные на значительном расстоянии от удара молнии. В первом приближении предполагаемые перенапряжения
(в киловольтах) между проводом линии и землей (самое близкое к точке удара) могут быть оценены по формуле (4):
 
,                (4)
 

где

- ток молнии (кА);
 
- высота проводов от земли (м);
 
- расстояние до точки удара молнии (м).
 

Значение перенапряжения одинаково для всех проводников, так как расстояние между фазными проводниками мало по сравнению с расстоянием до точки удара молнии.

 

Для линии высокого напряжения с высотой расположения проводов 10 м для тока молнии 30 кА индуцированное напряжение будет порядка 100 кВ для удара молнии на расстоянии 100 м.

 

Для линии НН с высотой 5 м ток 100 кА индуцирует напряжение 1,8 кВ даже на расстоянии 10 км.

 

5.2.3 Перенапряжения, вызванные влиянием других систем

 

Удар молнии в землю может привести к появлению наземного потенциала высокого значения в точке удара и вблизи нее. Это явление вызывает перенапряжения в электрических системах за счет заноса потенциала из этой точки на системы заземления.

 

На рисунке 7 приведен пример такого случая. Повышение потенциала системы заземления определяется током молнии и эффективным импедансом заземления. Вначале потенциал заземлителя определяется локальным импедансом, который может быть равным 10 Ом. Это означает, что высокое напряжение, возникающее между системой заземления и электрической установкой в здании может привести к повреждению изоляции или срабатыванию УЗИП. Перенапряжения, возникшие в системе электропитания, передаются в другие системы (телекоммуникационные, информационные, сигнальные системы, и т.п.), а также могут передаваться на другие здания, конструкции и установки, например, на установки, получающие питания от одного и того же трансформатора при ударе молнии.

           

    

 

 

Рисунок 7 - Пример резистивной связи с системой молниезащиты

Из-за высоких значений электромагнитных полей, вызванных молнией, за счет индуктивной и емкостной связи с электрическими системами, вблизи пути тока молнии могут возникать опасные перенапряжения, особенно в электронных системах, системах передачи и обработки данных, вызывая отказы и/или неправильное функционирование.

 

 

      5.3 Передача грозовых импульсных перенапряжений со стороны системы среднего уровня напряжения

     

Поскольку системы среднего уровня напряжения (СН) более протяженны и выше чем другие конструкции, расположенные в их близости, включая деревья, линии среднего напряжения более подвержены ударам молнии, чем линии низкого напряжения (НН). Число ударов молнии, оказывающих влияние на линию, зависит от грозовой интенсивности в данной области. Распространение импульса через систему СН и скорость передачи к системе НН зависит от конструкции системы.

 

Грозовые перенапряжения в системах СН вызываются прямыми ударами молнии или ударами молнии, произошедшими в непосредственной близости, как приведено в разделе 5.2. Кроме того, обратный искровой разряд может произойти от удара в заземленные провода или сторонние проводящие части конструкций или оборудования, или при нанесении удара молнии в землю вблизи от конструкций линии.

 

5.3.1 Значение импульсного перенапряжения и его распространение в системах СН

 

Распространение импульса зависит от конструкции системы СН и от установки защитных устройств от перенапряжения. Высокоуровневые грозовые импульсы быстро ослабляются во время их распространения по линии за счет потерь и искровых разрядов через изоляторы линии. Практически после нескольких пролетов линии значение перенапряжения уменьшается до допустимого уровня по напряжению изоляции линии.

 

За исключением случаев прямого удара в трансформатор СН/НН или в непосредственной близости в землю, можно предположить, что перенапряжения в системе СН ограничиваются классом изоляции изоляторов линии. В системе 20 кВ это приблизительно 150-180 кВ. Для линий в лесных массивах без заземленной арматуры могут произойти намного более высокие импульсные перенапряжения.

 

Второе ограничение уровня импульсных перенапряжений обеспечивается защитными устройствами от перенапряжения, которые обычно расположены на высокой стороне трансформатора СН/НН или на переходе в подземные линии. Эти защитные устройства могут быть импульсными разрядниками ZnO или SiC или искровыми разрядниками. Остаточное перенапряжение (например, в диапазоне 70 кВ для системы на 20 кВ), зависит от номинального значения и импеданса заземления защитных устройств. Если используются искровые разрядники, то можно сказать, что грозовое перенапряжение приводит к временному перенапряжению промышленной частоты.

 

В приложении A приведен пример измерений грозовых перенапряжений для типовой системы электроснабжения 20 кВ.

 

5.3.2 Передача импульсных перенапряжений в систему НН

 

Импульсные перенапряжения от удара молнии в системе СН передаются в систему электроснабжения НН двумя различными способами:

 

- емкостной и индуктивной связью через трансформатор СН/НН;

 

- связью по земле.

 

Значение импульсного перенапряжения зависит от многих параметров, таких как:

 

- система заземления НН (TT, TN, IT);

 

- характеристики и нагрузки линии НН;

 

- устройства защиты от перенапряжения НН;

 

- условия соединения СН и НН с заземлителями;

 

- типа трансформатора.

 

Анализ распространения грозового перенапряжения и его передачи в системы НН может быть выполнен с использованием высокочастотной модели. Такая модель представляет трансформатор преимущественно с емкостной связью, которая считается его самой важной характеристикой, когда рассматриваются частоты в диапазоне МГц (см. приложение A).

 

В случае прямого удара молнии в линию СН срабатывание разрядника или перекрытие изолятора отводит ток импульса на систему заземления, что может привести к резистивной связи по земле между системами СН и НН. Перенапряжение передается к системе НН в типовом случае, как приведено на рисунке 8а. В зависимости от значений импеданса заземления, это перенапряжение по наземной связи может быть намного выше, чем за счет емкостной связи через трансформатор.

 

 

Рисунок 8 - Типовые механизмы связи по земле

           

Проблема может быть решена разделением заземлителей как приведен на рисунке 8b. Однако при этой конфигурации будет возникать перенапряжение между трансформатором и его вторичной обмоткой.

 

В системе TN меньшие перенапряжения будут в случае, если нейтраль повторно заземляется в электроустановке потребителя. Следует отметить, что при использовании этого вида резистивной связи можно избежать выполнения отдельной системы заземления для части НН трансформатора.

 

Типичное значение перенапряжения, переданного за счет емкостной и индуктивной связи на вторичную сторону трансформатора СН/НН, составляет 2% между фазным и нейтральным проводником и 8% между фазным проводником и землей от напряжения фазы к земле на стороне СП. Эти значения типичны для нагруженной цепи НН. Когда сторона НН трансформатора не нагружена или очень незначительно нагружена, значения могут быть значительно выше в зависимости от параметров системы СН.

 

Грозовые перенапряжения в системе СН вызывают намного меньшие импульсы тока (обычно меньше 1 кА), чем при прямом ударе молнии и перенапряжения передаются в систему СН практически только через емкостную связь и не превышают нескольких киловольт. В таких случаях перенапряжение, вызванное непосредственно в системе СН (по крайней мере, в части, которая находится недалеко от точки воздействия молнии), вообще выше чем то, которое передано со стороны системы СН. Если срабатывает УЗИП или происходит искровой разряд, ток будет небольшим и соответственно резистивная связь незначительна.

 

 

      5.4 Импульсные перенапряжения, вызванные прямым ударом молнии в низковольтную линию

5.4.1 Ожидаемые перенапряжения

 

Как приведено в разделе 5.2 настоящего стандарта и в приложении A, чрезвычайно высокие значения перенапряжений возникают при прямом ударе молнии в линию. Разряды происходят между всеми проводниками линии и в большинстве случаев на заземлитель в месте около точки удара (прежде всего на концах). Искровой разряд может также произойти в незащищенных установках, питающихся от данной линии.

 

В объединенной системе линия/кабельная система перенапряжения будут несколько уменьшены из-за более низкого импульсного импеданса кабелей по сравнению с воздушными линиями. Количественно уменьшение зависит от продолжительности и от величины полной емкости системы относительно земли. Однако, обычно это уменьшение не достаточно, чтобы избежать перенапряжений, превышающих нормальные уровни изоляции в установках СН. Поэтому прямой удар молнии в линию СН обычно приносит определенный ущерб.

 

5.4.2 Практические ограничения

 

Практически перенапряжения ограничиваются защитными устройствами, которые устанавливаются на трансформаторной подстанции и в установке потребителя. Однако такие устройства будут подвергаться серьезным воздействиям с высоким риском повреждения элементов УЗИП при прямом ударе молнии, если они специально не предназначены для этой цели.

 

 

      5.5 Грозовые импульсные перенапряжения, индуцированные в низковольтную линию

5.5.1 Ожидаемые перенапряжения

 

Оценки ожидаемых индуцированных перенапряжений в системах НН в результате удара молнии на некотором расстоянии от воздушной линии могут быть получены по формуле (4), приведенной в п.5.2.2. Согласно этой формуле индуцированные перенапряжения выше номинальных значений допустимого напряжения по изоляции НН могут произойти даже для случая удара молнии на 10-километровом расстоянии от линии.

 

Данный вид перенапряжений является определяющим для систем электроснабжения НН с использованием воздушных линий. Индуцированные грозовые перенапряжения возникают главным образом между проводами и землей. Разность потенциалов между проводниками является первоначально небольшой, особенно когда используются скрученные проводники. Однако, из-за различия нагрузок на фазных проводниках (в зависимости от системы НН), может произойти пробой защитных устройств и т.п., также могут возникнуть значительные усилия между линиями.

 

Пример, иллюстрирующий индуцированные перенапряжения в системах НН, приведен на рис.9. Принимается что проводники (включая нейтральный проводник) скручены. Кроме того, нейтральный проводник заземляется с обоих концов линии. Замечено, что напряжения показывают ослабленные колебания с частотой равной характерной частоте линии.

 

 

Рисунок 9 - Типовые перенапряжения, индуцированные в низковольтной линии при ударе молнии

           

5.5.2 Оценка вероятности возникновения

 

Оценка числа индуцированных перенапряжений в линии НН в функции амплитуды может быть сделана на основе формулы (4), приведенной в п.5.2.2 настоящего стандарта. Моделирование перенапряжений было выполнено для линии высотой 5 м и длиной 1 км [3], принимая нормализованную плотность ударов молнии (
) 1 удар на км
в год, и распределение тока молнии, предложенное CIGRE [2]. Результаты измерений, основанные на той же самой модели, были подтвержденные экспериментальными данными по линиям НН в течение восьми лет.
 

Число индуцированных перенапряжений может быть получено по формуле, проверенной на основании модели, установленной TF CIGRE 01/01/33:

 

.            (5)
 
В этой формуле
число индуцированных перенапряжений,
,
,
, и
определяются как в уравнениях (2), (3) и (4), а
является понижающим коэффициентом, зависящим от заземления нейтрального или защитного проводника (фактор
может колебаться от нуля, в отсутствие такого проводника, до 0,7 или даже 0,9 в случае многократного заземления нейтрального проводника в жгуте).
 

Большое количество измерений подтвердили важную роль многократно заземляемого нейтрального проводника, что видно из формулы (5) и доказывает, что число индуцированных перенапряжений пропорционально квадрату длины промежутка между двумя заземлителями нейтрали и чем ближе к этому заземлителю делаются измерения, тем меньшими становятся перенапряжения.

 

На рис.10 приведено сравнение кривых, полученных из моделирований Иоханнесена с моделированием по СС05 (при
0). Другие результаты моделирования, выполненные Electricite de France по программе также представлены на том же рис.А.4. Чтобы сделать сравнение достоверным, все данные были нормализованы для линии длиной 1 км и высотой 10 м, с
1 (предполагается, что
пропорционален
,
и
). Нужно отметить, однако, что при моделировании делаются несколько различные допущения. Например, при моделировании по программе, линия подключалась к трансформатору СН/НН с одной стороны и оставалась разомкнутой на другом конце. По информации [3], линия заканчивалась соответствующим импедансом (нет отражения) и рассматривались воздействия вдоль сторон линии. Поэтому, прямое сравнение кривых затруднительно, но результаты можно рассматривать как общую оценку ожидаемых перенапряжений относительно характеристик молнии.
 

           

    

 

 

Рисунок 10 - Пример частоты возникновения индуцированных перенапряжений при ударе молнии в воздушную линию НН

Эти кривые представляют предполагаемые перенапряжения (не под влиянием любой реакции системы, такой как пробой). В практических случаях присутствуют искажения и ограничения связанные с наличием многократных ответвлений, кабельных вставок, нагрузок, пробоям, защитным устройствам от перенапряжения и т.п. Статистические кривые, приведенные на этом рисунке, будут несколько отличаться в реальных условиях. В частности частота появления перенапряжений с превышением величины нормального уровня изоляции линии меньше.

 

 

      5.6 Примеры индуцированных перенапряжений

На основании предыдущих данных о возникновении перенапряжений можно было бы ожидать большее число отказов оборудования чем то, которое фактически наблюдается. Это несоответствие может быть объяснено несколькими факторами: реальной вероятностью события в данной установке, шунтирующее действие разнообразных путей стекания импульсных токов, реальным поведением линий электропередач, воздействием как линейных, так и нелинейных нагрузок, наличием УЗИП, наличием случайных пробоев на землю при экстремальных перенапряжениях, и т.п.

5.6.1 Моделирование

 

Как пример моделирования ожидаемых перенапряжений, приведем применение метода Монте-Карло для модели системы электроснабжения НН, показанной на рис.11. Плотность ударов молнии 2,2 на км
в год, все нагрузки были смоделированы резисторами, независимыми от частоты. Таблица 3 показывает результаты этого анализа. Последний столбец показывает высокие уровни перенапряжений, но они происходят только в случае прямого удара молнии в систему НН. Вероятность возникновения таких импульсов в этом примере составляет один раз в 22 года.
 

           

    

 

 

Рисунок 11 - Модель системы электроснабжения

 

 

 

Таблица 3 - Среднегодовые уровни перенапряжений в низковольтных установках (кабели проложены в земле)

 

 

 

 

 

 

 

>1,5 кВ

>2,5 кВ

>4 кВ

>6 кВ

>20 кВ

Не нагруженная система TT

6

3

1,8

1

0,045

Нагруженная система TT

4

1,7

1

0,5

0,045

Нагруженная система TN

1

0,6

0,35

0,25

0,045

 

 

Примечание 1 - Значения, приведенные в таблице, были получены для скрученной кабельной системы электроснабжения. Для системы электроснабжения, выполненной с использованием воздушной линии с отдельными проводниками, уровни напряжения могут быть в два раза выше при той же самой вероятности события.

 

 

Примечание 2 - В этом примере для модели применительно к системе TN, было определено, что значение импеданса заземления не оказывает существенного влияния, потому что нейтральный провод линии НН соединяется непосредственно с землей.

 

Приведенный анализ демонстрирует это для типовой линии НН, представленной на рис.11, и для плотности ударов молнии 2,2 на км
в год, предполагаемое число перенапряжений, превышающих уровень изоляции, определенный МЭК 60664-1, 4 кВ для системы TN с напряжением 230 В, составляет порядка одного события в год.
 
В п.5.5.2 ссылка делается на измерения, выполненные в областях с подобной плотностью ударов молнии в землю (2-3 удара на км
/год). Измерения были выполнены на линиях НН между рабочими проводниками и локальным заземлителем на объекте измерения. Поэтому, эти данные (перенапряжения сверх 4 кВ приблизительно 10 раз в год), непосредственно не сопоставимы с результатами моделирования, представленными в таблице 3. Однако, принимая во внимание конкретные параметры, использованные для схемы модели, и того факта, что в этом случае исследуются напряжения линии относительно земли в пределах установки, можно считать, что данные измерения и моделирования находятся в разумном согласии.
 

Примечание - Этот анализ был дополнен дальнейшими вычислениями с учетом установки УЗИП с уровнем защиты 2,5 кВ на вводе установки. Также было вычислено значение тока протекающего через УЗИП. Эти результаты моделирования подтверждают, что импульсные токи, индуцирующие перенапряжения, обычно меньше 1 кА. Например, максимальный ток УЗИП составил только 60А при ударе молнии в землю с током 100 кА на расстоянии 200 м от линии НН. Ток в УЗИП был также вычислен для случая прямого удара молнии в линию с током 100 кА в 250 м от трансформатора СН/НН, ток в УЗИП составил приблизительно 200 А. Эти два результата были получены для принятого сопротивления заземления 50 Ом на вводе. Снижение сопротивления заземления ведет к увеличению токов УЗИП.

 

5.6.2 Измерения

 

Измерения, проведенные во Франции, показали, что вероятностные значения таблицы 3 очень часто не достигаются потому, что практически линия НН обычно соединена со многими установками и в любой части системы НН может произойти срабатывание разрядника или возникнуть искровой разряд, уменьшающие перенапряжение в системе.

 

Данные по систематическому контролю перенапряжений с нескольких сайтов, недавно созданных в Германии, приводятся в таблице В.3. Причина перенапряжения, - коммутация или молния - не идентифицируется в этом обзоре. Возможно, что несколько событий на верхнем уровне (четыре события выше 2 кВ и два события выше 6 кВ) в общей сложности 151 события выше 1 кВ (среди 3000 событий выше 500 В), были связаны с ударами молнии.

 

 

      5.7 Перенапряжения, при ударе молнии в здание или в непосредственной близости

5.7.1 Распределение тока разряда молнии среди параллельных установок

 

Когда молния ударяет в здание, которое является одним из нескольких параллельно запитанных приемников от системы электроснабжения НН, ток молнии в землю
делится среди нескольких возможных путей. Они включают локальную землю (заземлитель здания), так же как и внешние заземлители и все металлические связи, прежде всего кабель электропитания.
 

________________

Путь тока молнии, поскольку он делится среди возможных путей, часто представляется, как возникающий из облака и текущий в землю. Нужно отметить, однако, что для отрицательного разряда от облака к земле (рис.3), молния представляет "обратный разряд" от земли - "в землю" - с нейтрализацией положительных зарядов отрицательными зарядами в канале молнии (содержащим ответвления) и облаке.
 

Чтобы определить количественно это распределение дисперсии, были смоделированы два примера с использованием программ, приведенных в приложении А, а результаты представлены на рисунке 12, где изображены два здания, запитанные от подстанции, здание 1 поражается молнией как определено в МЭК 62305-4.

           

    

 

 

Рисунок 12 - Модель для вычисления распределения тока молнии между параллельных зданий на примере системы TN-C

           

Для здания 1 на рисунке 12 ток разряда молнии
от молниеприемника стекает вниз по токоотводу к системе заземления.
 
В этой точке ток молнии делится на две составляющих: ток
- стекает на локальный заземлитель здания, ток
- течет по кабелю электропитания к удаленной земле. Эти два тока делятся обратно пропорционально отношению импедансов.
 

В начальной фазе импульсного тока, текущее разделение определяется отношением индуктивностей. В хвосте, где уровень изменения тока незначителен, разделение определяется отношением сопротивлений как в (6):

 

.                          (6)
 
Для нескольких электрически соединенных зданий эффективное значение сопротивления
уменьшается согласно (6) за счет того, что часть тока молнии, который стекает с пораженного здания в систему НН, увеличится за счет того, что большое число зданий соединено параллельно.
 

Для примера на рисунке 12 в таблице 4 приведены амплитуды токов для возможных путей на заземлитель (после прохождения основной индуктивности), определенных путем цифрового моделирования, подробно рассмотренного в приложении А. Для этих вычислений не было найдено никаких доказательств наличия колебаний, вызванных отражениями, из-за значений импедансов заземления ниже 10 Ом и отсутствия емкости, приведенной в модели. Другие примеры распределения токов даются в приложении А.

 

В разных странах используются различные способы заземления нейтрали, так что возможны некоторые отличия в распределении тока разряда молнии по возможным путям, но общий принцип, проиллюстрированный примером, остается применимым. Поскольку в системе TN-C-S никакое УЗИП не включается в нейтраль, а нейтраль заземляется у каждого здания, обеспечивается некоторое облегчение для других УЗИПов связанных с линейными проводниками. Разработчики системы должны принять эти различия во внимание.

 

В качестве общего заключения можно констатировать, что чем выше плотность зданий в зоне, тем большая часть тока разряда молнии, стекает на заземлитель через питающий кабель системы НН. Это заключение относится и к поражаемому зданию и к смежным зданиям.

 

 

Таблица 4 - Распределение токов по возможным путям растекания для примера рис.12 (10/350 мкс, 100 кА)

 

 

 

Путь тока к земле

Приблизи-

тельное амплитудное значение тока, (не начальное), кА

Приблизи-

тельная величина заряда,  Кул

Заземляющий электрод(ы) здание 1 (
)
 

33

16,5

Выход от здания 1 к зданию 2

 

 

Общий ток (
) в кабеле электропитания
 

66

33

Ток в нейтрали

17

9

Ток через SPD1

16

8

Ток через SPD2

16

8

Ток через SPD3

16

8

На заземляющий электрод здания 2

 

 

Общее значение

34

16,5

Ток в нейтрали

9

4,7

Ток через SPD1

8

4

Ток через SPD2

8

4

Ток через SPD3

8

4

Выход от здания 2 к трансформаторной подстанции по кабелю электропитания

 

 

Общее значение

33

16,5

Ток в нейтрали

9

4,5

Ток в фазе 1

8

4

Ток в фазе 2

8

4

Ток в фазе 3

8

4

 

           

5.7.2 Перенапряжения, связанные с распределением токов

 

Распределение токов по возможным путям вызывает перенапряжения, прежде всего между проводниками и локальной землей. В зависимости от конфигурации установки НН и наличия или отсутствия УЗИПов, эти перенапряжения могут быть большими или умеренными. Некоторые примеры, полученные при моделировании и описанные выше, более подробно рассмотрены в приложении А.5, где описываются два примера перенапряжений, являющихся следствием импульсных токов на вводе установки. В этих примерах, импульсный ток был введен на ввод конкретных зданий и были измерены перенапряжения, возникающие в выбранных точках в здании.

Следует отметить, что наземное повышение потенциала, при прямом ударе молнии в здание или конструкцию обычно превышает допустимый уровень изоляции низковольтной установки и следовательно приводит к пробою и перенапряжениям, которые распространяются к смежным зданиям (установкам), соединенных с той же самой низковольтной распределительной сетью.

 

Следовательно, даже при прокладке кабелей в земле, в здании, не пораженном ударом молнии, может возникнуть перенапряжение. Число зданий (установок), которые включаются в этот процесс распространения, увеличивается с увеличением удельного сопротивления грунта. Кроме того, для данной плотности ударов молнии, присутствие высокого здания, хотя и уменьшает вероятность прямых ударов в меньшие здания находящиеся вблизи, увеличивает вероятность индуцированных перенапряжений.

 

Перенапряжения между проводниками и локальной землей повреждают изоляцию соединенного оборудования, которое обычно имеет достаточный уровень согласно указаниям МЭК 60664-1, в то время как рабочие компоненты энергетического оборудования повреждаются перенапряжениями, возникающими между проводниками. На первый взгляд может показаться, что наиболее опасная ситуация связана с перенапряжениями на энергетическом оборудовании. Однако перенапряжения на заземлителе могут стать проблемой не столько для изоляции энергетического оборудования, а как результат перехода потенциала на нижний уровень между системой питания и коммуникационной системой, которая может быть соединена с оборудованием. Эта потенциальная проблема обсуждается более подробно в разделе 8 и в приложении D.

 

Как рассматривалось выше различия, существующие в способах заземления нейтрали и установке УЗИПов, если таковые вообще имеются, мешают давать числовые результаты широкого применения, и должны быть приняты меры предосторожности от ошибочного обобщения рассмотренных примеров.

 

5.7.3 Частота возникновения

 

Ежегодная частота прямых ударов молнии в сооружение
, может быть определена по плотности ударов молнии в землю
(количество ударов на 1 км
в год) и эффективной площадью сооружения
(км
) следующим образом:
 
.                (7)
 

Эффективная площадь сооружения определяется как площадь земной поверхности, имеющей ту же самую частоту прямых ударов молнии, как и рассматриваемое сооружение. Она является функцией размеров сооружения и зависит от топологии фундамента и окружающих объектов (см. МЭК 2305-3).

 

Для прямоугольного сооружения на плоской поверхности
определяется следующим образом:
 
,             (8)
 

где

- горизонтальная площадь сооружения в м
;
 
- высота сооружения в м;
 
- периметр крыши в м.
 
Величина
, без учета мелких зданий порядка 10
-10
в год. Однако вероятность возникновения перенапряжений в низковольтной сети из-за ударов молнии в соседние здания будет намного выше, но с более низкими уровнями напряжения. Например, моделирования, проведенные для типовой воздушной линии, показывают, что уровень возникновения последующих перенапряжений (распространением) находится в пределах 0,1-0,3 события в год.
 

Уровень напряжения зависит от характеристики грунта, типа линии (воздушная линия, в земле) и от параметров заземления нейтрали. Если нет точных данных по частоте возникновения на разных уровнях напряжения, то МЭК 62305-2 обеспечивает некоторое руководство по применению.

 

 

      5.8 Выводы относительно грозовых перенапряжений

Источник грозовых перенапряжений находится вне человеческого управления и их значимость для объектов, использующих электроэнергию, зависит от многих параметров, определенных местом воздействия удара молнии и структурой системы электроснабжения. В то время как структура системы электроснабжения находится под человеческим контролем, его параметры обычно определяются другими соображениями помимо молниезащиты.

 

Эти перенапряжения могут быть классифицированы по точке попадания: прямой удар, удар в непосредственной близости, удаленный удар. При прямом ударе молнии, перенапряжения возникают из-за прохождения тока молнии по конструкции и связанной системе заземления. Удар в непосредственной близости вызывает индуцированные перенапряжения в замкнутых цепях и до некоторой степени повышает потенциал на заземлителе. Удаленные удары молнии приводят к перенапряжениям ограниченным замкнутыми цепями.

 

При ударе в непосредственной близости могут возникать существенные динамические силы, но вероятность таких значительных сил ниже, чем сил более низкой величины связанных с более удаленными ударами молнии. В любом случае, статистические данные, по анализу рисков, должны быть учтены при выполнении защиты от этих грозовых перенапряжений.

 

Причина возникновения молнии и ее характеристики имеют статистическую природу и содержат неопределенность. Например, результаты непосредственных измерений тока, выполненных для высоких башен, вообще не укладываются в имеющиеся представления. Географический район, включая климатические условия, также может оказаться существенным фактором.

 

Отметьте, что любое предложение по применению теоретических соображений или результатов ограниченных измерений по определению отношения между частотой возникновения и величиной грозовых перенапряжений должны всегда согласовываться с проверками в реальных условиях, как это рассмотрено в разделе 9.

 

 

      6 Коммутационные перенапряжения

 

 

      6.1 Основные положения

Обычно, любое срабатывание выключателя, повреждение, прерывание, и т.п. в электрической установке сопровождается переходным процессом, при котором могут произойти перенапряжения. Внезапное изменение в системе может инициировать затухающие колебания с высокими частотами (резонансные частоты сети), пока система снова не стабилизируется в новом устойчивом состоянии. Величина коммутационных перенапряжений зависит от многих параметров, таких как тип цепи, вид коммутации (включение, отключение, повторное включение), характера нагрузки, и типа выключателя или предохранителя. В этом пункте явление описывается в принципе, с использованием элементарных примеров, чтобы представить общую картину.

 

На рисунке 13 приведена элементарная цепь RLC при подключении нагрузки и на рисунке 14 приведен типичный переходной процесс, связанный с этим подключением. Напряжение, наложенное на напряжение промышленной частоты системы электроснабжения, приведено в этом примере в пределах приблизительно одного периода. Максимальное напряжение главным образом определяется моментом включения контакта относительно напряжения питания. Самый высокий уровень перенапряжения возникает, когда контакт закрывается при максимуме напряжения (не путать с переходным током, который будет самым большим при включении при 0 В.).

           

    

 

 

Рисунок 13 - Генерация перенапряжения при коммутации цепи RLC

     

    

    

 

 

Рисунок 14 Типовые коммутационные перенапряжения

В большинстве случаев, максимальное перенапряжение находится в пределах двойного амплитудного значения напряжения питания, но более высокие значения могут быть, особенно при коммутации индуктивных нагрузок (двигатели, преобразователи) или емкостных нагрузок. Кроме того, отключение токов короткого замыкания, может вызвать значительные перенапряжения. Если отключение происходит, при относительно высоком значении энергии накопленной в индуктивности, то колебания могут произойти на стороне нагрузки вводного выключателя или предохранителя.

 

Частота колебаний во время коммутационных операций определяется характеристиками системы, и иногда могут возникнуть резонансные явления. В таких случаях, могут произойти очень большие перенапряжения. Вероятность резонанса системы на частоте сети обычно низка. Однако если характерная частота коммутируемой части системы близка к одной или более резонансным частотам остальной части системы, то может возникнуть состояние переходного резонанса.

 

Грозовые перенапряжения, описанные в разделе 5, главным образом основаны на теоретических вычислениях и понятии вероятностных перенапряжений (без учета естественного ограничения напряжения) что и было представлено в предыдущем разделе. Вместо этого данные получаются на основании проведенных измерений и регистрации переходных процессов, происходящих в существующих системах или в лабораторных экспериментах.

 

Следующие положения относительно коммутационных перенапряжений в большой степени основаны на измерениях в реальных низковольтных системах. Поэтому, напряжения, о которых сообщают, ограничиваются взаимодействием системы и присоединенного аппарата. Кроме того, устройства защиты от перенапряжений (УЗИП) в системе (и встроенные УЗИП) ограничивают измеренные напряжения. Этот факт должен быть учтен при рассмотрении числовых значений, приведенных в этом разделе и в приложении В.

 

Типичная форма коммутационных импульсов определяется реакцией низковольтной установки. Эта ситуация приводит в большинстве случаев к затухающей волне, как показано на рисунке 14. На рисунке 15 приведен пример измеренного коммутационного перенапряжения, записанного в реальной системе, который демонстрирует подобные характеристики, но с более высокой частотой, чем показано на рисунке 14.

                

    

 

 

Рисунок 15 - Пример высокочастотного импульса коммутационного перенапряжения

           

Частота колебания обычно находится в пределах нескольких сотен килогерц. Время достижения максимума обычно находится в диапазоне 0,1-0,5 мкс, а максимальная производная обычно находится в пределах нескольких кВ/мкс. Типичное распределение максимальных уровней перенапряжений (которое не включает очень короткие импульсы), приведено на рисунке 16.

 

 

Рисунок 16 - Распределение импульсных коммутационных перенапряжений в различных случаях по уровню

Поскольку максимальные амплитуды коммутационных импульсов не превышают нескольких кВ, время достижения максимума будет находиться в диапазоне 0,5-2 мкс. Распределение времен достижения максимума приведены на рисунке 17. Поэтому максимальный уровень типовых коммутационных импульсов более или менее соответствует времени достижения максимума для стандартного волнового импульса 1,2/50 мкс или 0,5 мкс к периоду 100 кГц волны. Соотношения для 1,2/50 мкс импульса приведены на рисунке 18 для относительно небольшой амплитуды.

           

    

 

 

Рисунок 17 Распределение импульсных коммутационных перенапряжений по времени

        

    

 

 

Рисунок 18 Уровень импульсных коммутационных перенапряжений и их амплитудные значения  

 

                

 

Рисунок 19 - Распределение импульсных коммутационных перенапряжений по продолжительности

 

      6.2 Срабатывание выключателей и переключателей

Выключатели и переключатели широко используются в каждой установке для целей защиты электрооборудования, выключая перегрузки и короткие замыкания, или для того, чтобы управлять работой оборудования, - включение и отключение. Частота коммутаций зависит от области применения и имеет более высокий уровень в промышленных установках и относительно более низкий уровнях при бытовом применении.

 

Коммутируемые токи в случае большинства активных нагрузок находятся в диапазоне номинального тока оборудования. Однако лампы накаливания дают пусковой ток приблизительно в 10 раз превышающий их номинальный ток, поскольку у нити низкое сопротивление в холодном состоянии, что приводит к повышению коммутируемых токов. Для неактивных нагрузок, характерных для промышленных потребителей, коммутируемые токи намного выше номинального тока.

 

Одна из причин повышения пусковых токов это наличие в сети конденсаторы. Например, при подключении телевизора мощностью 100 Вт и номинальным током - 0,4 А, пусковой ток составит приблизительно 20 А, который в 50 раз выше номинального. Другая причина - это отношение максимального значения несинусоидального тока к его действующему значению, когда максимальные токи выше, чем ожидаемое действующее значение.

 

Размыкание механической коммутационной аппаратуры вручную или с помощью электромеханического привода вызывает электрическую дугу во время каждого процесса коммутации. Высокочастотное колебание сгенерированное внезапным появлением напряжения зависят от величины индуктивности и емкости в цепи выключателя. Это колебание накладывается на напряжение между проводниками цепи и между проводником цепи и землей и дает полное напряжение, приложенное к изоляции электрооборудования относительно сторонних проводящих частей и других цепей. В отличие от переходных перенапряжений, переданных через распределительную сеть в установку потребителя, коммутационные переходные процессы, сгенерированные в пределах установки потребителя выключателями и переключателями, воздействуют на электрооборудование без существенного затухания, причем амплитуда этих переходных процессов относительно высока.

 

Величина коммутационных перенапряжений может быть оценена подробными измерениями в электрических установках и их статистической оценкой. Такими измерениями можно охарактеризовать частоту возникновения переходных перенапряжений в зависимости от периода времени года или в будние дни или в определенное время дня. Если такая характеристика от времени существует, то возникновение переходных процессов может произойти из-за события в пределах электрической установки, например, при коммутациях или при оперативном управлении устройствами, которые могут создать возмущения из-за их конструкции.

 

Измерения в промышленных и других установках показали, что частота возникновения перенапряжений уменьшается с их величиной. В низковольтных системах ожидаемые коммутационные перенапряжения не должны быть выше, чем 4 кВ, потому что при этом уровне величины зазоров в электрооборудовании вероятно будут недостаточны, чтобы предотвратить пробой, и таким образом должно ограничиваться пиковое значения. Как пример, статистическое распределение коммутационных перенапряжений, полученных путем измерений в промышленных системах, приведен на рисунке 20.

           

    

 

 

Рисунок 20 - Пример распределения по амплитуде импульсных коммутационных перенапряжений, измеренных в промышленных сетях электроснабжения напряжением 230/400 В

           

Статистическая оценка расширенных измерений заставила прийти к заключению, что только 1-2 из 1000 записанных коммутационных перенапряжений имеют амплитуду выше 2,5 кВ. Другие длительные измерения, которые выполнялись в установках различного вида и в различных расположениях (см. приложение В), показали подобные результаты. Большинство записанных переходных перенапряжений были даже ниже 1 кВ и только одно значение составляло приблизительно 6 кВ.

 

Нельзя делать вывод, что влияние выключателей и коммутационных операций незначительно в общей проблеме генерации коммутационных переходных процессов. Данные, полученные в результате измерений, не являются комплексными, и коммутационные импульсы могут возникать чаще, чем эти данные указывают. Поэтому, оценивая необходимость установки УЗИП, это должно быть рассмотрено. В промышленных установках энергия, рассеиваемая на УЗИП, может оказаться относительно высокой.

 

Примечание - Вышеупомянутые измерения были выполнены в реальных установках с подключенным оборудованием. Поэтому даже если УЗИП, внешнее по отношению к оборудованию, в рассматриваемой установке было разъединено, полученные результаты зависят от характеристик подключенного оборудования (например, зазоров, расстояний утечки, уровня защиты от импульсных напряжений, фильтра и/или УЗИП-компонентов в оборудовании), не дадут реальные значения перенапряжений, происходящих в рассматриваемой установке. Единственный способ учесть их влияние - это выполнение объединенных измерений импульсных напряжений и соответствующих импульсов токов, происходящих в установке, и таким образом получить информацию об энергетическом воздействии на оборудование при отсутствии внешних УЗИП.

 

 

      6.3 Срабатывание предохранителей

По сравнению с другими импульсами, вызванными оперативными переключениями, возникновение импульсов из-за срабатывания предохранителей возникают менее часто. Однако, в случае отключения короткого замыкания, могут быть сгенерированы весьма существенные коммутационные импульсы. Это явление главным образом связано с влиянием на величину тока короткого замыкания характеристик предохранителя, его номинала и индуктивности цепи.

 

В электрооборудовании часто используются миниатюрные предохранители с номинальным током от 0,0032 до 10 А.

 

Коммутационный импульс в случае отключения короткого замыкания миниатюрным предохранителем с номинальным током 1 А приведен на рисунке 21. В этом случае амплитуда коммутационного импульса довольно высока, но продолжительность довольно коротка. В серии испытаний, выполненных в диапазоне номинальных токов от 1 до 10 А, были определены амплитуды коммутационных импульсов, величина их оказалась довольно постоянна на уровне 2,6 кВ.

 

Однако из-за увеличенной продолжительности времени (таблица 5) воздействия импульсов, энергия существенно увеличивается с увеличением номинального тока предохранителя. Величина импульса может достигнуть 2,6 кВ/мкс. Для некоторых номиналов предохранителей коммутационный импульс зависит от характеристики предохранителя. Быстродействующий предохранитель вызывает более кратковременные импульсы, чем предохранители медленного действия.

               

 

 

 

Рисунок 21 - Импульсные коммутационные перенапряжения при срабатывании миниатюрного предохранителя

Таблица 5 - Время достижения половины номинального значения импульсного коммутационного тока при срабатывании миниатюрных предохранителей

 

 

Характеристика предохранителя, А

Время достижения половинного значения, мкс

1

8

1

24

1,6

36

10

64

 

               

При отключении короткого замыкания на вводе системы питания предохранителем, установленным вблизи распределительной шины, возникает соответствующая проблема, связанная с тем, что перенапряжение, сгенерированное при срабатывании предохранителя, оказывает влияние на все электрооборудование, соединенное с этой шиной. Опыт, основанный на статистике, показал, что такой отказ в низковольтной сети электроснабжения происходит очень редко. Однако этот тип отказа важен для промышленных систем распределения, где короткое замыкание не является очень редким случаем. В приложении В приведено два примера измерений, один для короткого замыкания, происходящего около предохранителя на вводе, другой для короткого замыкания, происходящего в конце кабеля.

 

 

      6.4 Частота возникновения

Как относительные значения вероятности возникновения коммутационных импульсов, так и их абсолютные значения могут быть оценены. Первый метод относительных значений является более применимым, если различные измерения и/или помещения должны быть сравнены.

 

Эмпирическое правило устанавливает, что вероятность возникновения коммутационного импульса обратно пропорционально тройной амплитуде его мощности. Это явление, которое известно как закон тройной мощности, иллюстрируется на рисунке 22 для различных типов помещений. Однако при увеличении амплитуды коммутационного импульса наблюдается тенденция для некоторых отклонений от закона тройной мощности. Эти отклонения являются более явными для некоторых типов помещений, например, для торговых помещений.

 

 

     

Рисунок 22 - Распределение импульсных коммутационных перенапряжений по частоте возникновения в различных установках

           

На рисунке 22 относительная вероятность возникновения коммутационного импульса амплитудой 2500 В приблизительно в пять-десять раз больше, чем экстраполяция линии "тройной мощности" в области более низких амплитуд.

 

 

      6.5 Взаимодействия с устройствами защиты от перенапряжений

Поскольку коммутационные импульсы вызывают ответное воздействие установки на напряжение, ток, и энергию в цепях питания, их энергетическое влияние может оказаться существенным. Однако, как упомянуто выше, их амплитуда часто ограничивается, давая возможность избежать рисков при установке УЗИП. Разработчики системы и разработчики оборудования должны применить УЗИП с должным рассмотрением возможности возникновения коммутационных импульсов с высокой энергией, как рассмотрено в пункте 12.

 

 

      6.6 Выводы относительно коммутационных перенапряжений

В большинстве случаев максимальные коммутационные перенапряжения находятся в пределах двойной амплитуды напряжения системы. но могут возникать и более высокие значения, особенно при коммутации индуктивных (двигатели, преобразователи) или емкостных нагрузок. Кроме того, отключение токов короткого замыкания может вызывать существенные перенапряжения. При оперативном отключении относительно высокая энергия может быть сохранена в индуктивных нагрузках и колебания могут произойти на стороне нагрузки вводного выключателя или предохранителя.

 

Величина коммутационных перенапряжений может быть оценена подробными измерениями в электрических установках и их статистической оценкой. Такими измерениями можно охарактеризовать частоту возникновения переходных перенапряжений, в зависимости от периода времени года или в будние дни или определенное время дня. Надо опасаться, однако, ограничивающего эффекта неопределенного УЗИП, который может присутствовать в установке. Если такая характеристика от времени существует, то возникновение переходных процессов может произойти из-за события в пределах электрической установки, например, при коммутациях или при оперативном управлении устройствами, которые могут создать возмущения из-за их конструкции.

 

Эти соображения заставляют оценивать вероятность того, что УЗИП, предназначенное для уменьшения коммутационных импульсов, может эффективно ограничить напряжение. Затем должно быть определено, что УЗИП обладает необходимыми характеристиками относительно величины и продолжительности коммутационных импульсов, которые будут ожидаться в данном помещении.

 

 

      7 Временные перенапряжения

 

 

      7.1 Основные положения

Широкий диапазон явлений, возникающих при нормальной работе системы или в аварийных режимах, могут вызвать перенапряжения, которые следует отличать от коммутационных перенапряжений, рассмотренных в предыдущем разделе. Эти перенапряжения возникают в сетях промышленной частоты и обычно связаны с работой защитного оборудования от сверхтока, отключающего поврежденные цепи. Электрооборудование обычно разрабатывается так, чтобы противостоять воздействию временных перенапряжений. Импульсные защитные устройства для защиты от ударов молнии и коммутационных импульсов не могут длительно рассеивать энергию для того, чтобы ограничить эти временные перенапряжения. Поэтому, при выборе максимума рабочего напряжения для защитных устройств от импульсных перенапряжений (УЗИП) для конкретной установки, должны быть учтены ожидаемые значения и вероятность возникновения временных перенапряжений.

 

      7.2 Величина временных перенапряжений при повреждениях в линиях среднего и низкого напряжения

Временные перенапряжения определяются как повышенные напряжения переменного тока с существенной продолжительностью по амплитуде, которые могут появиться в системе после повреждения. Обычно они возникают из-за повреждения изоляции или обрыва питающих линий в системах СН и НН электроустановок. Стандарты на электротехнические изделия учитывают эти явления путем предъявления соответствующих требований к оборудованию и испытаниям. В МЭК 60364-4-44 приведена информация и данные, приведенные в приложении С.

 

Примечание - В линиях СН и НН. смонтированных на одних и тех же опорах, или в линиях с двумя различными уровнями СН, смонтированных на одних и тех же опорах, случайное перехлестывание проводов может вызвать существенное перенапряжение в системе НН. Применительно к УЗИП для низковольтных систем перехлестывание обычно не рассматривается. Однако если такие исключительные явления возникают, то должен быть применен специальный УЗИП, чтобы выдержать этот режим или, по крайней мере, не быть поврежденным.

 

В зависимости от конфигурации систем заземления сетей СН и НН, токи короткого замыкания в сетях СН через общий заземлитель генерируют перенапряжения в сетях НН.

 

Основные параметры, которые влияют на значение и продолжительность перенапряжений приведены ниже.

 

Все они определяются разработчиками системы электроснабжения:

 

a) конфигурация заземлителей сетей СН и НН:

 

- один, два или три независимых заземлителя;

 

- общие или разделенные заземлители для сетей СН и НН;

 

- параметры и число заземлителей в распределительной сети НН;

 

b) тип заземления нейтрали в сети СН:

 

- изолированная;

 

- резонансно заземленная;

 

- заземленная через импеданс;

 

- непосредственно заземленная;

 

c) способ отключения повреждения в сети СН:

 

- длительное время для резонансного и импедансного типов заземления;

 

- короткое время (<5 с) для низкоимпедансного типа заземления;

 

- более короткое время для непосредственного заземления.

 

Временные перенапряжения появляются в различных местах и проявляются по-разному.

 

- В подстанции СН/НН повышенное напряжение прикладывается к изоляции оборудования НН между токоведущими частями и сторонними проводящими частями, если нет общего заземлителя СН/НН.

 

- В низковольтной электрической установке повышенное напряжение прикладывается к изоляции низковольтного оборудования между токоведущими частями и сторонними проводящими частями, если нейтраль не соединена с заземлителем.

 

- Повышенное напряжение появляется между заземлителем низковольтной установки и локальной землей, которое может быть приложено, например, к двойной изоляции оборудования класса II вне здания или ввода, который не соединен с ГЗШ.

 

В таблице 6 приведена информация о максимальных значениях и продолжительности перенапряжений, которые могли бы произойти в зависимости от конфигурации заземлителя на подстанции СН/НН и конфигурации системы заземления НН. Значения 250 В и 1200 В приведенные в таблице - это максимально допустимые значения согласно МЭК 60364 при использовании объединенного заземлителя систем СН и НН. Практически принимаются нижние значения.

 

 

Таблица 6 - Максимальные значения перенапряжений возникающих при замыкании на землю на стороне напряжения среднего уровня

 

 

 

 

 

 

 

Тип и система заземления СН при единичном замыкании на землю

Система заземления согласно МЭК 60364-4-44

Максимальное действующее значение напряжения на оборудовании установок HH

Продолжи-

тельность поврежде-

ния

Макси-

мальная продолжи-

тельность

 

 

L-PE

N-PE

L-N

с

час

3х проводная, изолированная нейтраль

TN, TT, IT

 

0

 

>>5

Десятки

3х проводная, резонансное заземление

 

или

TN, TTb) ITa), с), d)

 

0

 

>>5

Сотни

3х проводная, импедансное заземление

TTa), ITb), e)

<250 В +
 

<250 В

 

>>5

 

Низко импедансное заземление (Франция)

TN, TTb) ITa), c), d)

     

 

0

 

<5

Сотни

 

TTa), ITb), e)

<1200 В +
 

<1200B

 

<5

 

3х проводная, непосредственное заземление

TN, TTb) ITa), c), d)

     

 

0

 

<5

Тысячи

 

TTa), ITb), e)

<1200 В +
 

<1200 BV*

 

<5

 

4х проводная, непосредственное заземление (Практика США)

TN

<2,45
 

0

<2,45
 

<5

Тысячи

* Соответствует оригиналу. - Примечание изготовителя базы данных

 

Примечание 1. Отсутствие различий, для подклассификаций ТТа) и TTb), установленных для системы ТТ, не влияет на максимальное действующее значение напряжения, приведенное в таблице.

 

Примечание 2.
- номинальное напряжение линии относительно земли в низковольтной системе.
 
Примечание 3. При повышении напряжения более чем в 1,5-2 раза к
, может привести к отказу УЗИП или даже его разрушению. Поэтому, стандарты на УЗИПы требуют, чтобы при выходе устройств из строя не возникало опасности для людей или пожара. Это условие может быть обеспечено посредством устройства автоматического разъединения, действующего кратковременно или постоянно, в качестве такого защитного устройства используют разъединитель УЗИП.
 

Примечание 4. Для случаев двойного повреждения требуется специальное рассмотрение.

 

Примечание 5. Информация, приведенная в таблице 6, представляет максимальные значения, допустимые в соответствии с указаниями МЭК 60364; если при продолжительности повреждения менее 5 с в системах заземления с изолированной нейтралью или в резонансных системах заземления.

 

Временные перенапряжения могут произойти от эффекта феррорезонанса в питающем трансформаторе, когда у одной из фаз питания СН снижается емкость относительно земли.

 

 

      7.3 Временные перенапряжения из-за повреждений в низковольтных электрических установках

7.3.1 Временные перенапряжения из-за короткого замыкания между линейным и нейтральным проводником

 

После переходного процесса значение тока короткого замыкания ограничивается только источником питания и импедансом электропроводки. Эти токи могут быть очень высокими, в диапазоне от сотен до десятков тысяч ампер. Защитное устройство работает на отключение повреждения. В течение этого периода длительностью от нескольких миллисекунд до нескольких сот миллисекунд, но не более 5 с, возникает состояние временного перенапряжения. Значение перенапряжения может быть определено в зависимости от импеденса источника. Значение 1,45