Электрические приборы, аппаратура и техника, которые используются в промышленности, требуют напряжения 220 В или 360 В. Однако внутри питающей сети нередко происходят нарушения нормального режима. Для нейтрализации последствий ударов молний и переходных процессов в электросети при коммутациях оборудования используются устройства защиты от импульсных напряжений.
Импульсные перенапряжения. Суть и причины возникновения
Молния является красивым и вдохновляющим природным явлением, однако она может быть опасной. Искровой разряд нередко приводит к пожарам, может стать причиной сильных разрушений, взрывов, травмирования людей и животных, вплоть до
смертельных случаев.
Эксперты различают первичные и вторичные воздействия удара молнии. Первые возникают вследствие ее прямого попадания в объекты. Во время молниевого разряда выделяется огромная энергия. Ее разрушительная сила настолько велика, что при непосредственном попадании в жилые дома и промышленные здания может полностью их разрушить, убить людей и спровоцировать техногенную катастрофу.
Под вторичными воздействиями молнии подразумеваются явления во время близких разрядов молнии, сопровождающиеся появлением разностей потенциалов на металлических конструкциях, трубопроводах, кабелях и проводах внутри помещений и сооружений, не подвергающихся непосредственному прямому удару.
Вторичное воздействие разрядов молнии вызывается электромагнитной или электростатической индукцией. При электростатической индукции образование высоких потенциалов, способных вызвать искру (разряд), происходит на изолированных от земли металлических предметах. При электромагнитной индукции искрообразование возможно благодаря возникновению высоких потенциалов во всех металлических незамкнутых контурах.
Вторичное воздействие разрядов молнии оказывает негативное воздействие на линии связи телефонной сети, электросети напряжением 220 В и 380 В, системы мобильной связи, передачи информации и данных, спутникового и телевизионного вещания.
Выход из строя, даже на короткий промежуток времени, одной из этих систем может привести к непоправимым последствиям. Поэтому современные системы молниезащиты промышленных объектов содержат защиту как от непосредственных ударов молнии, так и от вторичных ее проявлений.
Существует еще один источник импульсных перенапряжений – переходные процессы в электрических сетях при коммутации оборудования. В таких случаях перенапряжение связано с внезапной сменой режима работы в системе электроснабжения при коротких замыканиях, в момент включения и отключения трансформаторов, при включении резервного питания и т.п.
Импульсные перенапряжения, возникающие в связи с коммутационными процессами в сетях электропитания, происходят заметно чаще, чем импульсные перенапряжения, вызванные разрядом молнии. Их последствия менее сокрушительны, тем не менее они оказывают существенное влияние на электроприборы. Ведь даже небольшое повреждение или нарушение работы оборудования снижает общую готовность системы к работе.
При развитии импульсного перенапряжения коммутационного происхождения накопленная в элементах сети электрическая энергия из-за резкой смены параметров работы провоцирует развитие переходного процесса с сильным скачком напряжения.
Появление опасных всплесков напряжения возможно даже при переключении стандартных конечных устройств, например, осветительных приборов, принтеров, компьютеров и электромоторов. Особенно сильно это проявляется при одновременной коммутации нескольких электротехнических устройств.
Импульсные перенапряжения. Последствия
Импульсное перенапряжение – это кратковременный, но чрезвычайно сильный перепад напряжения, а также появление на металлических конструкциях электродвижущей силы. Специалисты различают проявление электромагнитной и электростатической индукции, занос внутрь объекта высоких потенциалов и коммутационное перенапряжение.
По сути, перенапряжение – это любое напряжение, которое по величине превышает величину максимального рабочего напряжения. Именно на наибольшее рабочее напряжение рассчитана изоляция любого электроаппарата, проводника и любой электроустановки.
Основная опасность воздействия перенапряжений заключается в нарушении целостности изоляции электрооборудования. Это может привести к катастрофическим последствиям. Кроме того, импульсные перенапряжения создают высокочастотные электромагнитные помехи, которые могут вызвать сбои и нарушения в информационных и управляющих системах.
Отсутствие защиты от импульсных напряжений, а также ошибки при выборе или установке защитных средств приводят к выгоранию электронных элементов и плат, аппаратуры и электротехнических устройств, установленных в силовых и распределительных щитах.
Электродинамические усилия, возникающие при разряде молнии, настолько мощные, что легко вырывают из стен электрическую проводку и могут полностью разрушить электрооборудование. Однако кроме явного, видимого влияния импульсных перенапряжений существует еще и скрытое воздействие.
Когда речь заходит о скрытом влиянии импульсных перенапряжений на электрооборудование, подразумевается сразу несколько негативных воздействий:
- Электронные схемы, которые часто подвергаются действию относительно небольших импульсов перенапряжений, в результате перегружаются, что приводит к появлению различных помех;
- Регулярное воздействие импульсных перенапряжений сокращает срок службы отдельных электронных элементов и, соответственно, электроприборов и электротехники, в которых они установлены;
- Импульсные перенапряжения оказывают негативное воздействие на изоляцию кабелей и проводов систем электроснабжения. Импульс высокой амплитуды может стать причиной повреждения изоляции между проводами, которое не приводит к короткому замыканию. В таком случае питающая линия остается в работе. Однако в месте повреждения начинают протекать токи утечки небольшой величины, на которые не реагирует дифференциальная защита, особенно если повреждение возникло между фазными проводами. Следует отметить, что в месте повреждения изоляция нагревается, что ускоряет процесс ее старения. В свою очередь, это также сокращает срок службы электроустановки.
В технической литературе описано множество случаев возникновения аварийных ситуаций, которые возникли в коммерческом секторе и промышленности из-за импульсных перенапряжений.
Как показывает практика, чаще всего к финансовым потерям приводит остановка производства. При этом утраченные данные и потерянная информация существенно превышает ущерб, причиненный непосредственно самому оборудованию.
Например, в одном из европейских банков в результате вторичного воздействия молнии были выведены из строя более 50 компьютеров. Работа финансового учреждения остановилась на несколько дней. Потери банка оцениваются в несколько миллионов евро.
В аэропорту Франкфурта-на-Майне под действием импульсного перенапряжения произошло ложное срабатывание системы пожаротушения в башне управления полетами. В результате этого инцидента более 200 самолетов пришлось в экстренном порядке отправлять на другие аэродромы. Сумма ущерба исчисляется в десятках миллионов долларов, при том что расходы на установку системы защиты от импульсных перенапряжений не превысили бы и 2 тыс. долларов.
Почему проблема импульсных перенапряжений с каждым годом становится только острее? Ведь гроз и, соответственно, молний больше не становится. Хотя результаты исследований, проведенных американскими учеными, показывают, что с увеличением загрязнения окружающей среды существенно возрастает количество молний. К сожалению, пока еще нельзя с твердой уверенностью утверждать, что год от года атмосфера Земли становится намного чище.
По оценкам экспертов, всё дело в том, что использование микропроцессорной техники и электроники как в быту, так и в промышленности приобретает массовый характер. Без компьютера, микроволновой печи, стиральной машины и музыкального центра уже сложно представить себе уютную квартиру, а без программируемых логических контроллеров, частотных преобразователей, различных реле контроля и управления невозможно организовать современное производство. А ведь именно электронная, микропроцессорная техника наиболее подвержена влиянию импульсных перенапряжений и высокочастотных помех. Следовательно, проблема импульсных перенапряжений – это своеобразная «дань», которую платит человечество техническому прогрессу.
Идентификация разрушения оборудования, вызванного импульсными перенапряжениями
Если повреждение уже случилось, следует точно установить причину выхода оборудования из строя. Это необходимо для того, чтобы оценить потенциальный риск и своевременно предпринять адекватные меры.