Устройство защиты цепей питания от последствий воздействия грозовых разрядов

Полезная модель относится к области защиты систем линейной телемеханики (СЛТМ) магистральных газопроводов (МГ), в частности к устройствам защиты СЛТМ МГ от перегрузок, вызванных попаданием молний, путем разделения электрических цепей.
Для обеспечения контроля параметров работы и управления оборудованием линейной части МГ (шаровые краны, КИП и А и т.п.) используются СЛТМ.
Оборудование, используемое в СЛТМ (согласно ЗИ1.310.013 РЭ СЛТМ «Магистраль-2»), имеет номинальные параметры входного напряжения 220 В, в связи с чем, для защиты оборудования от перегрузок, вызванных грозовыми и/или внутренними импульсными перенапряжениями, в СЛТМ предусмотрены системы защиты по входным цепям питания путем применения следующих составляющих:
автоматических выключателей;
модулей разрядников;
сетевого развязывающего трансформатора;
предохранителя и варистора (встроенных в блок питания).
При этом технические характеристики примененных защит таковы, что вышеупомянутые элементы имеют ограниченные характеристики, не превышающие (в том числе по данным производителей комплектующих и иных справочных данных):
1. при ударах молнии 2,5 кВ при 5 кА (выдерживается 20 ударов при верхнем пороге тока). При изучении технических характеристик устанавливаемых разрядников, максимальная сила тока, как правило, не может превышать двойного значения верхнего порога тока, т.е. 10 кА при меньшем (возможно однократном) воздействии;
2. по защите входных цепей питания конкретных характеристик не приводится. Если же рассматривать характеристики отдельных составляющих элементов конструкции, то можно увидеть следующую картину:
минимальное время срабатывания автоматического выключателя может не быть меньше 10 мс, при этом ток должен достигать значений, превышающие установленные в 100 раз. При меньшем же значении проходящего тока, срабатывания больше;
минимальное время срабатывания плавкой вставки (установленной в блоке питания СЛТМ) не может быть меньше 10 миллисекунд при этом проходящий ток должен превышать установленный в 20 раз. Соответственно при меньшем токе время срабатывания также больше, как и в случае с автоматическими выключателями.
Как показала практика, повышение входного питающего напряжения до значений, превышающим 250 В (в случае обрыва «нуля» трехфазной проводки), ничего катастрофичного не происходит - срабатывает защита блока питания: варистор замыкая входные цепи влечет за собой перегорание предохранителя блока питания - система оказывается отключенной от сети.
При попадании же молнии в линии электропередач, как показала практика, имеющихся средств защит зачастую оказывается недостаточно: под действием импульсов, напряжение и сила тока которых многократно превышает значения имеющихся защит, выходят из строя не только входные защитные цепи и блока питания, но и сама СЛТМ, поскольку высокие значения импульсного напряжения беспрепятственно проходят через цепи входных защит (разрушая и/или повреждая их, либо просто имеющиеся защиты не успевают срабатывать вследствие очень короткой длительности воздействия грозового разряда), далее через индуктивную связь разделительного трансформатора и трансформатора блока питания (и/или воздушные зазоры данных трансформаторов) и в итоге повреждают саму СЛТМ - повреждаются цепи питания, сигнализации, измерения (управления), а также датчики и приборы.
Иных известных устройств для защиты цепей СЛТМ (чем те, которые применяются в стандартных решениях при защите СЛТМ), которые бы обеспечивали полную защиту от грозовых разрядов, в литературе либо в свободном доступе, не найдено.
В то же время существует патент РФ 2440634, описывающий устройство для передачи электрической энергии и информации. Основным недостатком аналога является применение в качестве гальванической развязки трансформатор. Таким образом, данное решение обладает теми же недостатками, что и применяемые в СЛТМ «Магистраль-2» стандартные решения.
Технический результат настоящей полезной модели выражается в исключении возможности повреждения оборудования СЛТМ МГ, вызванных попаданием молний.
Поставленный технический результат достигается тем, что для защиты оборудования СЛТМ МГ применяется разделение линий питания и цепей питания СЛТМ путем перевода электрической энергии от сети в механическую, а затем обратно - из механической в электрическую, для цепей питания СЛТМ. Данное решение исключает прохождение грозовых разрядов через индуктивную связь трансформаторов и искровые промежутки конструкций приборов и системы в целом, которые имеются в стандартных решениях.
Устройство представляет собой привод, состоящий из электродвигателя, подключенного к сети электроснабжения, соединенный посредствам полумуфты с диэлектрическим валом, установленным в подшипниках внутри диэлектрического корпуса, на котором установлены магниты, передающие ЭДС на генератор, вырабатывающий электрическую энергию для электроснабжения оборудования СЛТМ МГ, при этом длина диэлектрического вала определяется в зависимости от необходимой величины максимально возможного напряжения.
Конструкция и принцип действия полезной модели приведены на фиг. 1.
На фиг. 2 приведена блок-схема устройства гальванической развязки цепей питания с несколькими потребителями. Количество гальванически развязанных потребителей может быть увеличено увеличением групп генераторов.
На фиг. 3 приведена схема подключения КП СЛТМ для комплексной защиты от последствий воздействия грозовых разрядов, попадаемых как в линии электропередач, так и в оборудование, установленное на магистральном трубопроводе.
На фиг. 1 обозначено: 1 - корпус из диэлектрического материала, 2 - заглушки, 3 - подшипники, 4 - вал из диэлектрического материала, 5 - магниты (закрепленные с попеременной ориентацией полей на валу (4)), 6 - катушки медного провода, намотанного на магнитопроводах, 7 - электродвигатель, 8 - полумуфты, 9 - эластичный элемент.
На фиг. 3 изображена комплексная схема, обеспечивающая гальваническую развязку, с целью защиты от воздействия грозовых разрядов по цепям питания и цепям основного и периферийного оборудования.
Принцип работы полезной модели по фиг. 1: напряжение от электросети поступает на электродвигатель (7), который, через полумуфты (8) и эластичный элемент (9), обеспечивает вращение вала из диэлектрического материала (4), установленного внутри корпуса (1) в подшипниках (3). Вращением магнитов (5), установленных на валу из диэлектрического материала (4), получаем на катушках из медного провода (6) ЭДС, которая после выпрямления и стабилизации подается потребителям.
Уровень защиты от возникающих перенапряжений в сети между цепями со стороны линии электропередач (электродвигатель) и цепями потребителей (электрогенератор) по фиг. 1 определяется длиной L диэлектрической части конструкции, измеряемой между намотанными катушками (принимаем худшие условия - катушки без заливки; изоляция проводов в расчет не принимается): чем длиннее, тем выше уровень защиты. Так, при длине L=200 мм обеспечивается защита от напряжения уровня, измеряемого десятками и сотнями тысяч вольт (в зависимости от состояния окружающей среды, наличия или отсутствия изоляции у электромагнитов, длительности импульсов разряда и т.д. и т.п.).
При нормальных условиях величину напряжения пробоя воздуха рассчитаем по формуле, предложенной Фридрихом Пашеном:
где: постоянная  постоянная
относительная плотность воздуха
Подставив значения в формулу получаем:
В условиях же повышенной влажности, либо изменения частоты (длительности) импульсов грозовых разрядов, значение напряжения может снижаться, но в любом случае данные значения будут заведомо выше, чем пробивные расстояния по иным путям разряда: на заземление зданий, конструкции и т.д., что обеспечит сохранность ответственных систем от перенапряжений.
Приведенная на фиг. 3 комплексная схема, работает следующим образом: напряжение от электросети поступает на электродвигатель, обеспечивающим вращение вала с установленными на нем постоянными магнитами. На катушках генераторных групп возникает ЭДС, подаваемая после выпрямления и стабилизации потребителям. Уровень защиты от возникающих перенапряжений в сети между цепями со стороны линии электропередач (электродвигателя) и цепями потребителей (электрогенераторов) определяется длиной L1 и L2 (фиг. 3), расчет которых аналогичен приведенным выше по фиг. 1. Высокий уровень защиты по пробивному напряжению гарантирует истечение возникающих грозовых разрядов по иным путям: на заземление зданий, конструкции и т.д., что обеспечит сохранность ответственных систем от перенапряжений. Защита же воздействия грозовых разрядов через цепи сигнализации и управления обеспечивается АЦП/ЦАП преобразователями и ВОЛС, не содержащих токопроводящие элементы.