Защититься от молнии без разрядников можно, но сложно и дорого. Это обязательный элемент системы молниезащиты, поэтому рассмотрим разрядники более подробно.

Искровые низковольтные сильноточные разрядники способны быстро закоротить пораженную разрядом молнии линию электропитания на землю и создать путь с низким сопротивлением для тока разряда молнии. Важно правильно выбрать разрядник, место его установки и способ монтажа.

Иностранные производители разрядников активно работают на отечественном рынке, предлагают тысячи типов разрядников, предоставляют подробные каталоги и рекомендации по выбору. Однако, на своем опыте ЗАО «ЭМСОТЕХ» убедилось, что при выборе разрядников следует ориентироваться на известное изречение: «гладко было на бумаге, да забыли про овраги».

Так ли хороши импортные разрядники?

На протяжении многих лет мы, ЗАО «ЭМСОТЕХ», тысячами покупали разрядники разных типов и применяли их в комплексных помехозащитных устройствах. Накопился определенный опыт работы с импортными разрядниками. Он привел к тому, что специалисты ЗАО «ЭМСОТЕХ» стали с осторожностью относиться к характеристикам разрядников, декларируемых их производителями. Нами были закуплены и протестированы в лаборатории разрядники большинства иностранных фирм, имеющих в России сбытовые сети и ведущих активную рекламу в Интернете. Оказалось что, несмотря на наличие сертификатов, подтверждающих соответствие разрядников требованиям стандартов, большинство проверенных разрядников имеют многократно завышенные характеристики.

По результатам исследований мы были вынуждены отказаться от импорта сильноточных разрядников, и разработать для своих изделий оригинальную конструкцию разрядника (получен патент на изобретение), в наибольшей степени удовлетворяющего требованиям грозозащиты.

Разницу в состоянии импортных разрядников и разрядника ЗАО «ЭМСОТЕХ» после испытаний можно не комментировать. Результаты испытаний отражают одно из основных положений советской школы конструирования: «запас карман не тянет». Поэтому срок службы наших разрядников эквивалентен сроку службы электрооборудования защищаемого объекта. У западных фирм подход иной: проектировать защиту с ограниченным сроком службы, так как периодическая диагностика и последующая замена разрядников приносит значительный доход.

Почему характеристики импортных разрядников завышены?

Подозревать ведущие фирмы мира в солидарном завышении характеристик разрядников ради рекламы было бы проявлением неуважения к конкурентам, такая позиция изначально неверна. Импортные разрядники разрушаются при импульсных воздействиях по иной причине.

Немногим специалистам в области грозозащиты известны разногласия между отечественной и зарубежной научной школой изучения молнии в отношении методов испытания грозозащиты, основанные, прежде всего, на возможности технической реализации имитаторов разряда молнии.

При разработке имитаторов разряда молнии отечественная научная школа исходит из того, что разряд молнии инициируется эквивалентным источником тока, имеющим большое внутреннее сопротивление. Источник тока молнии при испытаниях моделируется емкостным накопителем, который позволяет за короткий промежуток времени отдать большую импульсную мощность испытуемому элементу. Емкостному накопителю при его заряде через высоковольтный выпрямитель передается заряд Q=CU (Ас), соответствующий имитируемой фазе разряда молнии, заряд Q при разряде емкостного накопителя через формирующие цепи передается испытуемому разряднику.

Производители импортных разрядников испытывают их на своих имитаторах по стандарту МЭК 62305-1-2006. Однако в таком имитаторе заряд Q, протекающий через разрядник, рассчитывается теоретически и оказывается в десятки раз больше начального заряда емкостного накопителя. Внутреннее сопротивление такого имитатора оказывается очень низким (а у молнии — высоким), поэтому в зависимости от вида нагрузки имитатора нарушается энергетический режим испытаний, в результате чего к разряднику подводится энергия намного меньшая той, которая возникает при разряде молнии. В результате условия испытания разрядников на имитаторах по МЭК оказываются намного мягче, чем на имитаторе с прямым разрядом емкостного накопителя.

ЗАО «ЭМСОТЕХ» имеет в лаборатории оба типа имитаторов. На имитаторе по МЭК импортные разрядники проходят испытания и их экспериментальные характеристики в основном соответствуют паспортным. Однако при испытаниях на имитаторе с прямым разрядом емкостного накопителя, при тех же значениях пикового тока, все проверенные импортные разрядники разрушились.

Заблуждения в отношении сильноточных разрядников. Почему нельзя верить рекламным утверждениям инофирм.

1. Хороши ли разрядники с низким порогом срабатывания, вплоть до значений менее 1 кВ?

Чем вызвана необходимость в применении управляемых разрядников с низким порогом срабатывания (обычно 0,9-1,5 кВ)? Основная схема применения разрядников в схемах грозозащиты электронного оборудования — двухступенчатая. Первая ступень — разрядник, вторая — варистор, селективность их срабатывания обеспечивается развязывающим дросселем либо отрезком кабеля.

В схеме разрядник срабатывает при возникновении перенапряжения и отводит ток разряда молнии на землю, варистор ограничивает до безопасного уровня импульс перенапряжения до момента пробоя разрядника, а дроссель на короткое время не дает варистору зашунтировать перенапряжение и тем самым обеспечивает срабатывание разрядника. Если варистор ограничивает перенапряжение до 1 кВ, а разрядник срабатывает при 4 кВ, то индуктивность дросселя должна быть такой, чтобы на нем возникало падение импульсного напряжения не менее 3 кВ. Если перенапряжение и ток нарастают медленно, приходиться увеличить индуктивность дросселя, делать его крупнее и дороже. Разрядники производят в основном «корпусировщики», то есть фирмы, специализирующиеся на производстве пластмассовых корпусов и упаковке в них различных устройств. Дроссель с большими индуктивностью, номинальным и импульсным токами трудно упаковать в пластмассовый корпус для установки на DIN-рейку. Конструкторская мысль западных производителей разрядников пришла к идее применения управляемых разрядников, напряжение срабатывания которых было бы ниже напряжения ограничения варисторов, и тогда варистор и разрядник срабатывали бы сами по себе, без применения дросселя. Однако «у каждой медали есть оборотная сторона».

Грозовые импульсные перенапряжения с амплитудой до 10-30 кВ, при которых срабатывают обычные неуправляемые разрядники с напряжением пробоя 4 кВ, возникают несколько раз в год. Столько же раз будут возникать короткие замыкания в электроустановке, обусловленные срабатыванием разрядников.

Коммутационные импульсные перенапряжения с амплитудой в единицы кВ возникают гораздо чаще. В сетях электропитания промышленных предприятий коммутационные перенапряжения с амплитудой более 1 кВ возникают ежедневно, порою при каждом включении и выключении оборудования. Соответственно, существенно возрастает вероятность срабатывания управляемых разрядников, например, с напряжением пробоя 0,9 кВ. Каждое срабатывание разрядника вызывает короткое замыкание в сети электропитания. Применение управляемых разрядников с низкими порогами срабатывания приводит к возрастанию количества провалов напряжения, сопутствующих им перенапряжений при восстановлении напряжения, и росту числа отключений цепей потребителей из-за срабатывания максимально-токовой защиты электроустановок.

2. Могут ли разрядники гасить дугу сопутствующего тока также хорошо, как автоматические выключатели и предохранители?

Предохранители или автоматические выключатели изначально разрабатываются, как токоограничивающие устройства защиты, которые в силу особенностей конструкции стремятся как можно быстрее отключить аварийную цепь. При коротких замыканиях с максимальной кратностью они отключают ток короткого замыкания за время, меньшее 10 мс. Грозозащитный разрядник по внешним признакам системы электродов, формирующих дугу сопутствующего тока, как бы похож на автоматический выключатель, но физика явлений на электродах кардинально различается. Например, разрядник может иметь роговидные электроды, по форме напоминающие контакты в автоматическом выключателе, и может иметь дугогасящую решетку, такую же, как в автоматическом выключателе. Однако, для того, чтобы ограничить ток короткого замыкания, контакты в автоматическом выключателе под действием пружинного механизма быстро расходятся на большие расстояния, дуга растягивается механически и действием электромагнитных сил принудительно загоняется в дугогасящую решетку, в которой, по определению, и гаснет.

В разряднике все иначе, его конструкция не позволяет моментально разрывать дугу:

Электроды неподвижны, поэтому дуга механически не растягивается, и начальный межэлектродный зазор (около 1 мм) может быть перекрыт как перенапряжением при обрыве дуги, так и облаком ионизированной плазмы. Из-за этого процесс гашения дуги может затянуться во времени.

В разряднике электромагнитные силы могут и не способствовать выдуванию дуги из разрядного промежутка, а действовать в противоположном направлении, задувая дугу в маленький зазор, предназначенный не для гашения дуги, а для формирования искрового разряда. Мы имели возможность в этом убедиться на неудачных конструкциях разрядников известных производителей.

Электромагнитные усилия, воздействующие на дугу сопутствующего тока, очень велики, когда на сопутствующий ток накладывается большой импульсный разрядный ток. Импульсный ток выдувает дугу из узкой щели на рога с большим межэлектродным зазором, длинная дуга сопутствующего тока интенсивнее охлаждается и быстрее гасится. При малых импульсных токах дуга сопутствующего тока буквально «прилипает» к электродам разрядника и относительно слабого сопутствующего тока оказывается недостаточно для ускорения дуги до тех значений скорости, при которых она гаснет из-за охлаждения набегающим потоком воздуха.

По ГОСТ Р 51992-2002 в испытуемом разряднике время гашения сопутствующего тока не контролируется, лишь бы «сквозной ток был самозатухающим». Самозатухание сопутствующего тока проверяется только при максимальном его значении, а гасится сопутствующий ток хуже всего при низких значениях тока, когда малы силы, затягивающие дугу в дугогасящую решетку. Главное требование стандарта состоит в том, чтобы при таких испытаниях разрядник не имел механических разрушений и на протяжении интервала охлаждения разрядника (25…30 мин.) была «достигнута тепловая стабильность».

Одна из составляющих разряда молнии с током в сотни ампер имеет форму однополярного импульса длительностью до 0,5 с. Это постоянный ток, который гасится очень плохо, он не дает дуге сопутствующего тока частотой 50 Гц погаситься при переходе через ноль.

Поэтому разрядник вовсе не обязан гасить дугу с токоограничивающим эффектом. Разрядник может погасить дугу, например, за 5 секунд, при этом он будет соответствовать стандарту, так как не разрушился и не перегрелся. При этом на защищаемом объекте из-за многократных (за грозовой сезон) коротких замыканий и связанных с ними нарушений в работе электроустановок, выйдет из строя несколько единиц оборудования.

Проектант должен знать — система дугогашения в разряднике может быть очень качественной, и рассчитана на большой сопутствующий ток, но полностью полагаться на нее нельзя. Первостепенная задача для разрядника — отвести ток молнии на землю, однако дугу разрядники гасят плохо.

3. Можно ли заменить искровые разрядники «варисторными разрядниками»?

«Варисторные разрядники», несмотря на свое торговое название, по природе своей остаются теми же варисторами, но упакованными в модули, иногда напоминающие корпуса искровых разрядников. ЗАО «ЭМСОТЕХ» относится к числу немногих предприятий России, которые испытывали «варисторные разрядники». Можем утверждать, что никаких выдающихся характеристик (кроме цены) в сравнении с обычными модульными (блочными) варисторами «варисторные разрядники» не имеют и попытка заменить ими грозозащитные разрядники заведомо обречена на неудачу.

4. Правда ли, что лучшие разрядники — с угольными электродами?

Специалистам в области разработки сильноточных разрядников для грозозащиты силовых сетей электропитания известно, что самый плохой материал для таких разрядников — уголь.

Все дело в физике явлений на электродах. Для того чтобы разрядник быстро отреагировал на возникновение перенапряжения и замкнул пораженную молнией цепь на землю, разрядник должен иметь как можно меньшее время задержки срабатывания после возникновения на его электродах напряжения, достаточного для пробоя межэлектродного зазора. Для быстрого формирования электронной лавины и начального тока дуги нужно много электронов, которые извлекаются электрическим полем из материала электрода. Легкие металлы имеют низкие значения работы выхода электронов, то есть полю легко извлекать из этих материалов электроны. Уголь имеет высокое значение работы выхода электронов, то есть полю трудно извлекать из него электроны, необходимая их концентрация формируется дольше, поэтому велико время задержки срабатывания. В результате разрядник может сработать уже после того, как электроника поражена перенапряжением.

После того, как разрядник сработал от перенапряжения, через него начинает протекать сопутствующий ток 50 Гц, разрядник должен его погасить. Существует понятие критического значения тока дуги, при котором нагретые основания дуги мгновенно (за 1 мкс) охлаждаются. Основания дуги за этим переходом могут стать практически мгновенно «холодными», не испускающими электронов термоэмиссии со своей поверхности. При снижении тока дуги ниже критических значений происходит скачкообразное восстановление прочности электрического промежутка при переходе тока через ноль. Высокое критическое действующее значение тока (для частоты 50 Гц) у серебра — 210 А и меди — 165 А, а самое низкое критическое значение тока у угля — 2 А. Поэтому контакты аппаратов защиты низкого напряжения изготавливают из серебра или меди, и поэтому погасить дугу на угольных электродах намного сложнее, чем на электродах из металлов. Если на медных электродах дуга от источника тока с номинальным напряжением 220 В гаснет уже при двух разрывах, то для угля их надо намного больше, потому и делают угольные разрядники многозазорными.

Истории электротехники известна «свеча Яблочкова» в которой дуга переменного тока горела, не затухая, между параллельными стержневыми угольными электродами. Это хорошая иллюстрация «дугогасящих свойств» угольных электродов.

Выбор угля для электродов оправдан лишь с точки зрения рентабельности их изготовления. Производство таких электродов технологичнее металлических, его легче организовать «с нуля».

5. Можно ли разрядники с импульсным током в десятки кА применять в шкафах с предохранителями на ток в десятки ампер?

Обратимся к каталогу продукции известной фирмы: разрядник DB 1 255 Н может пропустить ток молнии 50 кА (10/350 мкс), а его способность ограничить сопутствующий ток настолько хороша, что разрядник не вызывает срабатывание предохранителя на ток 32 А. О том, что разрядник не способен пропустить ток молнии 50 кА мы уже говорили (расплавилась начинка разрядника). Открываем рекомендации по применению продукции той же фирмы, читаем: предохранитель 32 А при токе 15 кА взрывается, а при токе 4 кА начинает плавиться его вставка и на ней дополнительно возникает перенапряжение до 2 кВ. То есть даже при удаленных разрядах молнии, когда нет опасности для электроустановки, разрядник сработает, а следом предохранитель перегорит не из-за сопутствующего, а из-за импульсного тока. В результате схема защиты становится одноразовой, а возможности дорогостоящего разрядника не будут использоваться в полной мере. Если же молния попала в электроустановку, то предохранитель превращается в эквивалентный по объему кусок взрывчатки со всеми вытекающими последствиями для электрооборудования.

Для справки: предохранитель Курского завода типа ПП32 с отключающей способностью 100 кА, на ток 400 А, перегорает при воздействии тока 25 кА (10/350 мкс) и взрывается при токе порядка 50 кА (слишком велика скорость выделения энергии, хотя импульсный ток в два раза меньше допустимого ударного тока). То есть даже с таким предохранителем возможности дорогостоящего разрядника на ток 50 кА не будут использоваться в полной мере. Кроме того, при сверхбыстром отключении предохранителя перенапряжением повреждается электроустановка.

Как правильно применять разрядники?

С позиции большинства потребителей электрической энергии лучшее место установки разрядников и иной защиты от перенапряжений — трансформаторная подстанция (ТП). Это не совсем правильно. Мы уже убедились, что разрядники — устройства довольно-таки нежные, но и внешне могучие ТП не любят ударных воздействий, например, ударных токов короткого замыкания, возникающих непосредственно на их шинах. При таких воздействиях рвутся обмотки трансформаторов, трещит по швам изоляция обмоток, скручивается ошиновка. Лучше, если короткое замыкание произошло чуть дальше от ТП, тогда ударный ток ограничивается импедансом кабеля.

Если ввод электропитания в здание выполнен кабелем подземной прокладки и длина кабеля от ТП до вводного устройства (ВУ) в здание не превышает 50 м, то лучше установить разрядники в шкафу ВУ здания. Импеданс кабеля ограничит ударный ток короткого замыкания и ТП будет работать в более комфортных условиях, прослужит дольше, да и условия гашения сопутствующего тока в разряднике облегчаются. Импульс перенапряжения бежит по кабелю со скоростью около 150 м/мкс, поэтому после удара молнии в кабель сработает разрядник в ВУ, а через время, определяемое в первом приближении, как 50м:150м/мкс=0,3мкс ТП «узнает» об этом, и грозовое перенапряжение на изоляции ТП исчезнет. За время 300 нс частичные разряды в изоляции ТП не успеют сформировать канал пробоя изоляции, поэтому она не будет повреждена.

Если длина кабеля более 50 м, или даже при меньшей его длине, если кабель проложен по эстакадам (в воздухе), целесообразно защитить кабель разрядниками с двух его концов. В этом случае выбирайте для установки в ТП дорогостоящие разрядники с максимальными импульсными и максимальными сопутствующими токами. Дополнительно необходимо защитить ТП от перегрузок, вызванных токами короткого замыкания через разрядники, подключив их через аппараты защиты. В качестве последних лучше выбирать автоматические выключатели с дистанционной сигнализацией их срабатывания и моторным приводом с дистанционным управлением, тогда дежурный электрик или автоматика успеют вовремя восстановить грозозащитные свойства схемы.

Когда разрядники применяются для защиты вводов в здание, а ТП удалена от здания на большое расстояние, то каждое срабатывание обычного разрядника даже при далеких разрядах молнии может привести к срабатыванию защиты в ТП и отключению линии электропередачи. В результате возникают длительные перебои в электроснабжении, необходимые для замены предохранителей в ТП. В таких ситуациях рекомендуем использовать двухступенчатые разрядники (РГЗН модификации «2С»). В этих разрядниках первая ступень защищает вводы в здание от индуцированных в линии электропередачи грозовых импульсных перенапряжений, не вызывая срабатывания защиты в ТП. Вторая ступень срабатывает только при больших токах, например, при прямом разряде молнии в линию электропередач, что происходит гораздо реже.

По опыту ЗАО «ЭМСОТЕХ», селективность схемы грозозащиты обеспечивается, и она будет работать корректно при следующих условиях:

• электродинамическая стойкость (предельная отключающая способность) автоматических выключателей соответствует значениям ударных токов ТП и равна (или больше) прогнозируемой величины разрядного тока молнии;
• номинальный ток автоматических выключателей в цепи разрядников в 1,6-3 раза меньше номинального тока аппаратов защиты в основной силовой цепи.

Грозозащитные разрядники на вводе кабеля электропитания в здание лучше устанавливать за пределами распределительного шкафа, отдельным модулем. Современные приемы проводного монтажа в электротехнических шкафах с DIN-рейками обеспечивают электродинамическую устойчивость монтажа шкафа при импульсных токах разряда, не превышающих 10 кА (10/350 мкс). При больших значениях импульсных токов необходимо переходить на шинный монтаж шкафа распределительного устройства здания.

Наиболее правильный способ монтажа грозозащитных разрядников — непосредственно на главной заземляющей шине или, если ширины шины недостаточно, на накладной медной пластине. Такой способ монтажа обеспечивает минимально возможный импеданс схемы, правда, и разрядники должны быть приспособлены для такой технологии монтажа. Примером таких разрядников являются разрядники ЗАО «ЭМСОТЕХ».

Разрядники грозозащитные РГЗН и комплексные грозозащитные устройства на их основе

Наши новые изделия — разрядники грозозащитные низковольтные (РГЗН) и комплексные грозозащитные устройства на их основе. Предназначены для защиты низковольтных вводов в здания, защиты низковольтных обмоток трансформаторных подстанций, защиты автономных источников электроэнергии (дизель-генераторов и др.), защиты кабелей от пробоя изоляции и защиты иного низковольтного оборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений, токов разряда молнии. Разрядники защищены патентом РФ на изобретение.

Статья подготовлена специалистами ЗАО «ЭМСОТЕХ» и размещена на сайте с их любезного разрешения.