Экстремальные уровни ЭМ воздействий

ЭМ импульс молнии

Наиболее опасными типами грозового разряда, повреждающими установки связи, являются линейные молнии, которые представляют собой разряд облака в виде яркой узкой полосы (ленты) белого, светло- голубого или ярко-розового цвета длиной от сотен метров до многих километров. Путь такой молнии обычно зигзагообразен. Линейные молнии характеризуются следующими данными [2.8]: величиной заряда грозового облака, величиной потенциала грозового облака, величиной тока молнии, диаметром канала молнии, количеством повторных ударов молнии по одному каналу, интервалами времени между повторными ударами молнии, величиной градиента электрического поля у поверхности земли перед разрядом облака. Из перечисленных параметров наиболее важными являются величина тока в канале молнии и количество повторных ударов по одному каналу. Величина тока в канале молнии изменяется в широких пределах - от нескольких килоампер до сотен килоампер. Наблюдениями установлено, что молнии с большой величиной тока возникают очень редко. Так, молнии с величиной тока 180 кА возникают в случаях, количество которых равно 0,1% от общего количества наблюдавшихся ударов молнии; количество случаев ударов молнии с величиной тока 80 кА составляет 4%.

На рис. 2.1 показано количество ударов молнии (выраженное в процентах), при которой ток молнии не превышает величин, указанных на оси ординат. Количество повторных, следующих друг за другом ударов молнии по одному каналу характеризуется кривыми, показанными на рис. 2.2. В большинстве случаев (от 25 до 80%) количество повторных ударов в одном канале колеблется от двух до пяти и только в небольшом количестве случаев (5%) количество ударов в одном канале может достигать десяти.

Из этих кривых и других результатов наблюдений следует, что грозовой разряд облака характеризуется следующими средними величинами:

  • - зарядом грозового облака, Кл 0 - 100,
  • - потенциалом облака, В 10 - 10 ,
  • - током разряда облака, А 104 — 2 105,
  • - временем разряда, мкс 5 - 100,
  • - средней длиной молнии, км 1 - 3,
  • - диаметром канала молнии, см 3 - 60,
  • - интервалом времени между отдельными
  • - повторными разрядами, с 0,001 - 0,5,
  • - количеством повторных разрядов 1-30,
  • - давлением ионизированного воздуха в канале молнии вследствие действия электромагнитных сил, Па 2x105,
  • - температурой воздуха в канале молнии, °С до 1500,
  • - проводимостью канала молнии, См/м, значительно большей проводимости меди, т.е. более 57x106,
  • - внутренним сопротивлением источника тока молнии, включая сопротивление канала молнии, Ом до 5000,
  • - сопротивлением канала молнии ар время
  • - установления главного разряда, Ом 100.
Вероятное процентное распределение амплитудных

Рис. 2.1. Вероятное процентное распределение амплитудных

величин тока разряда молнии:

1 - величины, измеренные на воздушных линиях электропередачи напряжением 10 кВ; 2 - удары молнии в подземные кабели

Как показали измерения, разрядный ток молнии представляет собой импульс с быстрым нарастанием величины тока от нуля до максимума (фронт волны) и сравнительно медленным спадом (хвост волны). Поскольку на осциллограммах начало волны и момент максимума точно определить затруднительно, то в качестве длины фронта волны принимается не время от нуля до максимума, а условная величина,

определяемая построением (рис. 2.3). Для определения т' через точки

волны с ординатами 0,И7тах и 0,9 ?/тах проводится прямая линия. Пересечение этой прямой с нулевой линией и горизонтальной прямой, проведенной через уровень амплитуды, и определяет длину фронта волны (выражается в микросекундах). Длиной волны тв называется время, протекающее от условного начала до момента времени, когда ток волны становится равным половине амплитуды. Импульс тока молнии характеризуется отношением фронта волны к длине волны, т.е. Ту! тв (часто Ту обозначается через г,, а тв через т2).

Кривые вероятности процентного распределения числа импульсов (повторных ударов) в одном канале молнии по данным исследований

Рис. 2.2. Кривые вероятности процентного распределения числа импульсов (повторных ударов) в одном канале молнии по данным исследований:

1 - Мак-Икрона; 2 - Като; 3 - Шанланда; 4 - Стекольникова

Форма волны тока молнии

Рис. 2.3. Форма волны тока молнии

По данным наблюдений при ударе молнии в землю значения фронтов волн колеблются от 1 до 15 мкс, а длина волны достигает 10 - 100 мкс; при ударе молнии в подземные кабели фронты волн тока достигают 15-60 мкс, а длина волн тока 100 - 1000 мкс. Кривая импульса тока молнии при ударе молнии в равнину несет определенный заряд Q 10 50 Кл (в среднем 25 Кл), а при ударах молнии в горах - заряд

Q 30 100 Кл (в среднем 60 Кл). При разрядах молнии в телевизионные башни заряд достигает 160 Кл. При ударах молнии в землю возможны повреждения линий, если разряды облаков происходят непосредственно в линиях или поблизости от них. При попадании токов молнии в опору или провода воздушных линий происходит разрушение (расщепление) опоры, расплавление и обрывы проводов.

При ударах токов молнии в землю около воздушных линий связи в проводах возникают высокие напряжения, оказывающие разрушающее действие на изоляцию аппаратуры, включенную в цепи воздушных линий. При попадании токов молнии в саму воздушную линию связи разрушаются провода, изоляторы, опоры линии и включенная аппаратура. Кабельные подземные линии также подвергаются разрушениям при попадании токов молнии в землю вблизи места прокладки кабелей связи или при попадании токов молнии в сами кабели.

Зарегистрировано большое число повреждений междугородных кабелей током молнии, попадающим в оболочки кабеля при разряде облака на землю около трассы кабеля. Отмечено большое количество случаев, когда токи молнии попадали в оболочку из корней деревьев, в которые ударяла молния [2.9].

Чтобы судить о характере повреждения кабеля при ударах молнии и сделать некоторые обобщения, были изучены материалы, в которых более или менее подробно описываются такие повреждения. Кроме того, использованы статистические данные о повреждениях ударами молнии кабельных междугородных сетей как отечественных, так и зарубежных, собранные МККТТ на сегях Швеции, Бельгии, Дании, Англии, Италии, Голландии, Чехоловакии. Анализируя данные, можно сделать следующие обобщения:

  • 1. Кабели, на которых обнаружены повреждения от ударов молнии, имели свинцовую оболочку толщиной от 1,5 до 3,0 мм и внешний диаметр от 18 до 68 мм.
  • 2. Чаще повреждаются кабели, проложенные в грунте, с удельным сопротивлением более 500 Ом • м. Однако известны случаи повреждения кабелей, проложенных в грунтах с удельным сопротивлением не более 50 Ом • м. Повреждаются главным образом кабели, проложенные в глинистых, песчаных, каменистых, гранитных и торфяных грунтах.
  • 3. Кабели с небольшим диаметром свинцовой оболочки подергаются более тяжелым повреждениям, чем кабели с большим диаметром этой оболочки.
  • 4. Наиболее часто повреждаются кабели в районах с числом грозовых дней в году от 15 до 60 и более. Наблюдались тяжелые повреждения в районах с плохой проводимостью земли даже при значительно меньшем количестве грозовых дней в году (5-10).
Попадание токов молнии в кабель при ударе молнии в дерево

Рис. 2.4. Попадание токов молнии в кабель при ударе молнии в дерево

Довольно часты случаи удара молнии непосредственно в кабель. При этом в земле появляются отверстия и взрыхления над самим кабелем (по наблюдениям в СССР и США) или образуются борозды, проходящие в земле до кабеля (по наблюдениям в ряде европейских стран, РФ и США). При прямых ударах молнии в воздушные линии повреждаются опоры и расплавляются тросы.

Отмечалось много случаев попадания токов молнии в кабели через близко расположенные деревья. Молния ударяла в дерево (рис. 2.4) и через корни его проходила в землю, а затем в кабель, такие случаи наблюдались в РФ и других странах. Расстояние а между деревом и кабелем, которое перекрывается электрической дугой молнии, увеличивается с увеличением удельного сопротивления земли.

  • 5. Повреждения в кабелях от ударов молнии возникают в большинстве случаев одновременно в нескольких местах по длине кабеля на расстоянии от нескольких десятков м до нескольких десятков км (30-36) друг от друга, причём, чем меньше диаметр кабеля, тем больше длина участка повреждения.
  • 6. Вводные кабели междугородных магистралей, а также городские кабели, соединенные с воздушными линиями, повреждаются от удара молнии в кабельные опоры или в провода воздушной линии поблизости от кабельной опоры.
  • 7. В месте удара молнии в кабель в большинстве случаев возникают следующие повреждения: вмятины и прогиб кабеля под действием внешней силы, расплавление свинца во вмятинах и разрывы ленточной брони, сгорание джутовой оплетки, расплавление жил кабеля и обугливание бумажных лент.
  • 8. В удаленных от точки удара молнии местах в кабелях в большинстве случаев возникают следующие повреждения: пробои изоляции между жилами верхнего повива и свинцовой оболочкой и пробой изоляции между жилами, прожог изоляции верхнего повива и расплавление свинцовой оболочки с внутренней стороны, намагничивание пупиновских катушек, пробой на корпус и между витками пупинов- ских катушек, пробой симметрирующих конденсаторов.

Рассмотрим влияние грозового разряда на наиболее распространенные типы кабелей: на симметричные и коаксиальные кабели в металлической и в пластикатовой оболочках. Схематически изобразим кабель в виде трех линий: толстой, означающей оболочку кабеля, и двух тонких, означающих две жилы симметричной цепи кабеля, или внутренний проводник и внешнюю трубку коаксиального кабеля (рис. 2.5). В случае частичного проникновения тока молнии в симметричный кабель при разряде облака на землю (рис. 2.5,а) часть тока канала молнии попадает только в оболочку кабеля и, растекаясь по ней вправо и влево, постепенно уменьшаются. При этом в жилах кабеля индуктируются напряжения по отношению к заземленной оболочке и токи в жилах. Эти напряжения и токи при известных условиях могут быть опасными для изоляции жил кабеля и для включенной аппаратуры. При прожоге и пробое изоляции между оболочкой и жилой кабеля (рис. 2.5,6) часть тока молнии попадет и в жилы кабеля. В этом случае напряжение на жиле кабеля по отношению к оболочке в месте удара молнии становится равным нулю, а в местах, отдаленных от места удара молнии, возрастает до опасных величин. Величина токов в жилах в месте удара молнии максимальна и постепенно уменьшается по мере удаления от этого места.

Попадание тока молнии в симметричный кабель

Рис. 2.5. Попадание тока молнии в симметричный кабель: а) только в оболочку кабеля; б) в оболочку и жилу кабеля

На рис. 2.6 представлен случай частичного попадания молнии в коаксиальный кабель при разряде облака на землю. На рис. 2.6 показано попадание тока молнии только в оболочку кабеля, на рис. 2.6,6- в оболочку и во внешнюю трубку коаксиальной пары, а на рис. 2.6,в - в оболочку, во внешний и внутренний проводники кабеля.

При грозовом разряде между облаками (рис. 2.7), на жилах и в оболочках симметричных и коаксиальных кабелей, расположенных парал-лельно каналу молнии, индуктируются напряжения и токи под влиянием изменяющегося МП канала молнии. Теория влияния грозового разряда на кабель позволяет определить величину разности потенциалов между оболочкой и жилами симметричного кабеля, а также между оболочкой и проводниками коаксиальной пары. Кроме того, можно определить величину индуктированных токов вдоль оболочки и проводов кабеля.

Попадание тока молнии в коаксиальный кабель

Рис. 2.6. Попадание тока молнии в коаксиальный кабель: а) только в оболочку кабеля; б) в оболочку и внешний проводник кабеля; в) в оболочку, внешний и внутренний проводники

Наряду с повреждениями на линиях связи во время воздействия грозовых разрядов возникают повреждения аппаратуры, подключенной к цепям воздушных и кабельных линий связи: сгорание и пробой изоляции вводной аппаратуры (линейных трансформаторов), элементов фильтров (конденсаторов, дросселей, сопротивлений), элементов усилителей (электронных ламп, транзисторов и др.), на оконечных и промежуточных пунктах, в результате чего нарушается передача и возникают простои связи.

Возникновение в оболочке и жилах кабеля индуктированных токов при возникновении токов разряда между облаками

Рис. 2.7. Возникновение в оболочке и жилах кабеля индуктированных токов при возникновении токов разряда между облаками

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >