1960 1970 1980 Годы

Рис. _:4. Ущерб в Верхней Австрии, вызванный молниями, по годам:

1 - прямой ущерб; 2 - косвенный ущерб

С точки зрения интенсивности воздействия молнии различают непо­средственные или близкие удары и ударные разряды. При непосредственных и близких ударах молния ударяет в молниеприемники защищенных зданий или устройств, соединенных, например, кабелями низкого напряжения, ли­ниями связи и управления.

При ударе молнии в защитное устройство его потенциал относительно удаленных точек земли может повышаться до 1 MB при допустимом сопро­тивлении 10 Ом. В петлях, образованных сигнальными кабелями и провода­ми, связывающими различные объекты, может индуцироваться напряжение от нескольких десятков вольт до многих сотен киловольт.

При удаленных разрядах молнии, например, при разрядах на ЛЭП, ин­дуцированные перед разрядом заряды на линии электропередачи освобож­даются, и вдоль линии распространится волна перенапряжения. При дости­жении подстанции, которая питает сеть низкого напряжения, перенапряже­ния ограничиваются либо электрической прочностью изоляторов, либо за­щитными разрядниками. Если у объекта отсутствует защитное устройство, происходит нарушение функционирования электронного оборудования.

Рекомендуется реализовывать двухступенчатую защиту объектов по­средством внешних и внутренних мероприятий по молниезащите. Внешние мероприятия направлены на отвод тока молнии от внутренних цепей. Внутрен­ние мероприятия снижают до приемлемых оставшиеся воздействия молнии.

Разряды статического электричества

Разряды статического электричества - процесс выравнивания зарядов между отдельными твердыми телами, жидкими и газообразными средами,

несущими разные электростатические заряды. Они обычно сопровождаются скользящими, коронными, искровыми или подобными молнии разрядными явлениями. При возникновении искр, вследствие разряда, могут воспламе­ниться горючие газы. Вызванные разрядами токи и поля могут повредить элек­тронные элементы, эти воздействия относятся к области электромагнитной со­вместимости. Мерой защиты от первого воздействия является заземление объ­ектов (бензовоз), а от второго воздействия - фильтры и экранирование.

Заряды статического электричества возникают за счет индукции (рис. 5) и за счет трения (рис. 6).

Рис. 5.5. Электризация за счет индукции: 1 - тело В электрически нейтрально; 2 - поляризация тела В в электриче­ском поле; 3 - отвод отрицательных зарядов при искровом разряде или ка­сании тела С; 4 - тело В заряжено положительно

Токи в процессе зарядки составляют от сотен пикоампер до нескольких микроампер, а электростатические заряды - от 3 нКл до 5 мкКл. Электроста­тическая разность потенциалов между телами определяется после окончания процесса зарядки отношением приобретенного заряда к емкости тел между собой:

Рис. 5.6. Электризация трением:

1 - две субстанции А и В в нейтральном состоянии; 2 - фаза касания

или трения; 3-А заряжена положительно, В - отрицательно

Приведем ряд некоторых материалов и предметов по возрастанию сте­пени способности передачи электронов, в порядке следования: воздух, рука человека, асбест, кроличья шкурка, стекло, слюда, волосы человека, нейлон, шерсть, мех, свинец, шелк, алюминий, бумага, хлопок, сталь, дерево, янтарь, сургуч, эбонит, никель, медь, латунь, серебро, золото, платина, сера, ацетат­ный шелк, полиэфир, целлулоид, полиуретан, полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид (винил).

Паразитная электризация трением проявляется в промышленности вследствие контакта тела человека с его одеждой, с сиденьем, с полом, с ра­бочими средствами и предметами, а также при соприкосновении деталей, па­нелей, приборов с устройствами для обработки и тарой при их хранении и транспортировке. Процессы трения могут быть обусловлены как естествен­ными движениями тел, нормальными рабочими операциями (такими техно­логическими процессами, как вентиляция, продувка, опрыскивание, распы­ление, упаковка и распаковка, загрузка), так и сотрясениями, вибрациями при транспортировке.

Тело человека обладает емкостью относительно земли С = 100 - 300 мкФ. Человек, идущий по полу с синтетическим покрытием, приобретает потенциал равный 0,2 - 0,9 кВ. При извлечении пластиковой микросхемы из пластиково­го пакета появляется разность потенциала до 20 кВ.

Технические электромагнитные процессы

Во всех устройствах, служащих для производства, передачи и потреб­ления электроэнергии происходят процессы, являющиеся источниками элек­тромагнитных помех.

Все помехи делятся на два класса:

1) Помехи, производимые всеми устройствами электроснабжения, вы­ прямительными приборами и устройствами, кабелями и воздушными линия­ ми, люминесцентными лампами и многими другими установками, характери­ зующимися стабильностью во времени и частотным диапазоном от несколь­ ких Гц до 100 ГГц. Эти установки являются источниками электромагнитных помех, которые оцениваются следующими числами:

-электростанция на расстоянии 0,3 -1,5 м от сборных шин с I=кА производит напряженность магнитного поля 36 -6 А/м; электростанция на рас­стоянии 0,3 -1 м от трансформатора мощностью S = 0,6 MBА и напряжением 35 -10 кВ производит магнитное поле напряженностью Н = 14 -4 А/м;

- ЛЭП - 400 кВ, место измерения - под проЁодами в середине пролета, при токе 1 кА производит напряженностьН=10А/м(для воздуха 1 А/м = 1,25 мкТл);

-радиопереговорное устройство мощностью S= 1 -10 Вт, на расстоя­нии 0,5 м производит напряженность электрического поля 1-10 В/м на час­тотах 0,3 -3 МГц.

2) Процессы, создающие апериодические, случайно возникающие во времени помехи. Причинами появления таких помех являются разного рода коммутации и возникновение коротких замыканий. При этом появляются помехи с широким частотным спектром. Ширина спектра помех обратно пропорциональна времени коммутации, и особо интенсивные помехи возни­ кают при перенапряжении до 10 кВ, крутизна перенапряжения достигает до 100 В/нс, время нарастания импульса перенапряжения 1 нс+ 1 мс.

Электромагнитный импульс ядерного взрыва

Термин «электромагнитный импульс ядерного взрыва» включает в себя множество категорий электромагнитных импульсов (ЭМИ), в том числе вы­званных взрывами на поверхности Земли или в космическом пространстве. Высотные (выше 30 км) ядерные взрывы особенно опасны для объектов электроэнергетики. Они вызывают появление трех типов электромагнитных импульсов, которые могут проявить себя на поверхности Земли:

• первый ЭМИ высотного ядерного взрыва;

• второй ЭМИ высотного ядерного взрыва;

• третий магнитогидродинамический ЭМИ высотного ядерного взрыва.

Возникновение первого ЭМИ связано с отражением электронов Комптона, создаваемых Х-излучением, Yизлучением и нейтронами при их взаи­модействии с молекулами воздуха при ядерных взрывах на больших высотах (см. рис. 7). Эти электроны когерентно отражаются магнитным полем Зем­ли, так что поперечный поток электронов создает поперечное электрическое поле, распространяющееся по направлению к поверхности Земли.

Первый импульс характеризуется значительными пиковыми напря-женностями электрического поля (десятки кВ/м), малой длительностью фронта (порядка нс, небольшой общей длительностью импульса (до 100 нс.

Рис. 7. Первый ЭМИ от высотного ядерного взрыва

Непосредственно за быстрым первоначальным переходным процессом, излучаемое нейтронами рассеянное и жесткое гамма-излучение создает до­полнительную ионизацию, приводящую к появлению второго ЭМИ. Напря­женность электрического поля этого импульса составляет от 10 до 100 В/м и может длиться от 1 до десятков мс.

Последний импульс, обычно называемый магнитогидродинамическим (МГД-ЭМИ), генерируется самим ядерным взрывом и характеризуется элек­трическим полем низкой амплитуды (порядка десятков мВ/м), длительным фронтом (порядка секунд) и длительным импульсом (сотни секунд).

Воздействие описанных выше ЭМИ может представлять угрозу работе электроустановок при двух условиях:

• ЛЭП имеют достаточную длину для образования больших разностей потенциалов на их концах;

• на обоих концах ЛЭП сопротивление заземлителя постоянному току небольшое, что создает возможность протекания по линии постоянных токов

(при этом токи в несколько сотен ампер могут вызвать эффект насыщения сердечника трансформатора).

Из-за своих свойств МГД-ЭМИ могут взаимодействовать с ЛЭП очень большой длины и наводить в них токи, вызывающие появление гармониче­ских составляющих тока и дисбаланса фаз, которые, в свою очередь, могут серьезно повредить некоторые компоненты энергосистемы (например, сило­вые трансформаторы). Поля, создаваемые МГД-ЭМИ, вызывают появление наведенных токов, подобных токам в телефонных сетях (земляные токи), причиной появления которых являются магнитные бури, довольно часто слу­чающиеся в северных странах.

ЭМИ характеризуется длительностью до 200 нc(при молнии до 350 мс). Фронт нарастания импульса до 5 нc(при молнии до 10 мс). Напряженность электромагнитного поля от взрыва на высоте 100 км достигает 50 В/м.

Контрольные вопросы

1. Чем объясняется образование грозовых облаков?

2. Какой процесс называется ударной ионизацией?

3. Охарактеризуйте канал стримера.

4. Назовите среднюю скорость продвижения лидерного разряда

5. Чем объясняется разница между амплитудными значениями токов молнии в горных и в равнинных местностях?

6. Чем опасны высотные ядерные взрывы для объектов электро­энергетики?