Новые тенденции в оборудовании молниезащиты зданий, сооружений и линий

20 декабря 2011 г, 12:22

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА

Новые тенденции в оборудовании молниезащиты зданий, сооружений и линий

В связи с возникшими несоответствиями в теории и практике грозозащиты в последние годы проведены ряд новых исследований молнии, созданы новые типы защитных устройств. В городах стали строить высотные сооружения и небоскребы. Линии передачи и связи охватывают все более обширные территории с разными природными условиями. Эго заставило пересматривать некоторые устоявшиеся воззрения и дополнить их новыми рекомендациями. Ниже следует краткий обзор некоторых тенденций и изменений.

Соколов С.А.,

профессор кафедры "Линии связи" МТУСИ, д.т.н.

Введение

В последние годы наметился некоторый кризис в практике проектирования и оборудовании сооружений грозозащиты. Эго произошло в результате проведения более глубоких исследований самого явлен« — молнии, охвата линиями энергетики и связи все больших территорий с различными природными условиями, повышения передаваемой по линиям мощности и потоков информации, увеличением требований к надежности молниезащиты, строительством все большего числа высотных сооружении, разработкой новых защитных устройств. Все это в полной мере касается и сооружений связи. Магистральные линии связи прокладываются не только в Европейской части России и Западной Сибири, но и в интенсивно развивающихся районах Крайнего Севера и Дальнего Востока. Но смену кабелям с металл вескими жилами пришли оптические кабели как с металлом в их конструкции, так и полностью диэлектрические, что радикально поменяло характер воздействия на них электромагнитных полей. Оптические кабели прокладываются не только в землю, но и часто подвешиваются на высоковольтных линиях электропередачи, встраиваясь в грозозащитный трос, навиваясь на фазные провода или подвешиваясь на опоры как самонесущие. Все больше строится высотных зданий и небоскребов, на которых располагаются антенны сотовой связи и устройства доступа. Сам доступ из низкочастотного превратился в широкополосный, который оборудуется высокочастотными и оптическими кабелями связи, увеличилось и длина линий доступа, которая может достигать десятков километров, причём линия может включать в себя кабели разных типов — оптические, коаксиальные и высокочастотные симметричные. Появились сети с передачей пакетов сообщений, когда каждый последующий пакет может передаваться подругой физической линии. Все это требует пересмотра некоторых положений инструкций, стандартов и руководств по грозозащите.

Удары молнии в высотные сооружения

Ожидаемое число ударов молнии в обьект принято подсчитывать по площади стягивания молний. В нормативах РФ и МЭК площадь стягивания ограничивается линией круга на поверхности земли на расстоянии ЗК от внешнего параметра обьекта, где Ь —его высота. Однако это простое правило нельзя распространять автоматически на все высокие объекты, поскольку в случае очень высоких объектов молния не притягивается к объекту, а стартует от вершины по направлению к облаку. В равнинной местности доля восходящих молний от объектов высотой менее 100 м составляет менее 10%, тогда кок при высоте свыше 150 м уже 80%. Восходящие молнии

стартуют от вершины сооружения. Так как здание имеет большой размер, то условия распространения тока, в частности волновое сопротивление, подлине меняются, что приводит к многочисленным отражениям и изменению формы волны тока. В связи с этим некоторые положения методики МЭК и, в частности увеличения угла защиты при уменьшении высоты, являются спорными. В тоже время методики России основаны на исследованиях, выполненных много лет на-зод и требуют существенной корректировки.

Поведение заземлений при импульсах

Недостаточное внимание уделяется поведению заземлений при протекании по ним импульсного тока. Величина сопротивления заземления в завиа^лости от его конфигурации, расположения точки входа тока молнии, характера грунта, величины и формы тока может меняться на два порядка, например, от 1 до 100 Ом, что существенно меняет эффективность защиты. В связи с этим некоторые авторы рекомендуют при проектировании защиты заранее смоделировать и испытать поведение проектируемых контуров заземлений. Известно, что величина сопротивления заземления при импульсах определяется не только величиной удельного сопротивленкя фунта, но также величиной и формой тока, величиной индуктивного сопротивления соединительных проводников, формой и размерами контура, величиной пробивной электрической прочности грунта, которая может изменяться в широких пределах от 100 до 1300 кв/м. Поэтому важно заранее знсль, как может повести себя данное заземление при реальном ударе молнии,что позволит свести к минимуму опасные напряжения и помехи при внешнем электромагнитном воздействии на чувствительное оборудование. Система заземления здания для установок электросвязи должна создаваться не после строительства, а начинаться до строительства вместе с фундаментом и непрерывно продолжаться во время всего строительства и монтажа оборудования.

Надежность работы заземлителя зависит от рада причин, в том числе от коррозии. Коррозю определяется химическим составом грунта, его удельным сопротивлением и содержанием ионов водорода, величиной стекающего тока, влажностью и температурой. При коррозии происходит непрерывное и неуклонное увеличение сопротивления заземления. В то же время при строительстве обычно обеспечивают выполнение нормы на величину сопротивления заземления а момент сдачи объекта, не принимая во внимание изменение сопротивления с течением времени

Локальные изменения температуры и влажности и других параметров в фунте вблизи контура заземления влияют также на величину коэффициента использования заземлигелей. Чтобы уменьшить величину сопротивления заземления прибегают к параллельному включению нескольких одиночных заземлигелей (стержней). Однако общее сопротивление снижается не в п раз (где п — число стержней), а значительно меньше, так как стеконию токов с электродов ме-

Т-Сотт, #8-2011

115

четание лучше всего соответствуют в русском языке понятию пульсирующая волна". Путем экспериментальных исследований, в том числе на моделях, удалось выяснить, что коэффициент отражения заключён в пределах от 0 до -0,5. Далее импульс тока движется вниз, и в конце пути внизу облака происходит новое отражение. Полная волна тока имеет длительность порядка нескольких десятков микросекунд иона много больше времени прохождения отраженных волн вверх-вниз. Основная волна продолжает развиваться, на нее периодически накладываются отражения начала импульса от концов канала. Волна приобретает вид импульса, на который наложены многочисленные скачки, связанные с наложением отраженных волн. Расстояние между скачками соответствуют времени обхода канала туда-обратно, то есть порядка долей мкс. Картинка импульса напряженности электрическою поля показана на рис 1 (верхняя часть). График крутизны поля (dE/dt) показан на том же рисунке внизу.

Явления при отражениях от концов подобны явлениям, происходящим при короне. Пробои и рассеивание энергии при отражениях на концах канала делают процесс нелинейнь** и затрагивают электронные оболочки атомов. Отражения и скачки крутизны при отражении сопровождаются вспышками высокочастотного излучения. Полная амплитуда тока может достигать величины в несколько десятков килоамлер, так что энергия излучения достаточно велика. На рис 2 показаны высокочастотные излучения, возникающие при вну-триоблачном грозовом разряде.

Электрическое пале внугриоблачного разряда у поверхности земли имеет индукционную, статическую и радиационную составляющие. На расстоянии 2 км (по горизонтали) превалирует индукционная составляющая, так что поле по форме практически совпадает с основной волной тока. На расстоянии 200 км поле представляет собой радиационную составляющую и измеренная величина достигала амплитуды 1,5 В/м (при токе около 50 кА). Вспышка излучения имеет спектр до 30 МГц, так что эти воздействия опасны для спутников и других летающих объектов, например, для безлицензионных беспроводных технологий, таких как так называемая аэростатная связь. "Скачущая" или "пульсирующая" волна ответственна за вспышки излучения, которые происходят примерно каждые Atel/v» 100 т/ 200(m/ps)-0,5 мкс (притолщине облака 100 м), когда прыгающая волна достигает конца канала. Амплитуда от* раженной волны увеличивается, если условия на конце канала приближаются к "холостому ход/'.

Так что внутриоблачные разряды OD вполне могут быть ответственны за сбои в работе высотных систем связи, а также радиорелейных линий, наряду с коронными разрядами высоковольтных линий электропередачи и тиристорными системами управления.

Новые типы защитных устройств

За последние гады созданы принципиально новые защитные устройства — так называемые длинноискровые и мультикамерные разрядники. В первых из них ограничение перенапряжения происходит за счёт искрового перекрытия по изолированной поверхности с очень большой длиной канала разряда. Во втором случое мультика мерная система состоит из большого числа электродов, вмонтированных в профиль из силиконовой резины. Между электродами расположены миниатюрные газоразрядные камеры. Когда между промежуточными электродами происходит разряд в миникамерах создается высокое давление, которое вытесняет разряд наружу, что приводит к удлинению дуги, увеличению ее сопротивления и ограничению тока. Применение новых типов ограничителей напряжения позволяет отказаться от грозозащитных тросов на линиях электропередачи. Следует подчеркнуть, что это российское изобретение, и что ничего подобного на западе нет.

Оценка необходимости защиты

Оценка грозозащищенности кабелей связи нуждается в существенной корректировке. Сложившаяся практика определения необходимости защиты магистральных линий связи исходит из норм, относящихся к определенной длине линий. Так, например, согласно "Руководству по защите междугородных подземных кабелей связи от ударов молнии" на основных магистральных коаксиальных, слм-метричных и оптических линиях допустимое число повреждений от ударов молнии равно 0,1 на 100 км линии в год При этом о нагрузке, передаваемой по магистрали, речи не идет. И только на второстепенных магистралях зоновой или местной связи косвенно учитывается уменьшение нагрузки, так как допустимое число повреждений равно 0,2 и 0,3. Величина передаваемой нагрузки учитывается только самим типом кабеля. Если кабель многопарный коаксиальный или симметричный, то допускается 0,1, если симметричный зоновый, то 0,2 повреждения на 100 км линии в год Между тем по симметричному магистральному кабелю, уплотненному системой К-60, может быть организовано максимум 840 аналоговых каналов, а по коаксиальному с системой К-10800 — свыше 20000. Потери в случае повреждения несопоставимы. Потери на современных оптических линиях с волновым уплотнением при повреждении кабеля даже сравнивать нельзя с магистральными симметричными и коаксиальными линями, а норма одна и та же. Поэтому необходимо уточнить подход к определению и выбору средств защиты.

Развитие систем доступа

Повреждениям подвергаются не только магистральные транспортные линии, но и линии доступа. Типичная сеть полностью оптического доступа технологии FTTH (fiber to the home — волокно к дому) состоит из распределительной сети и собственной сети доступа. Распределительная сеть в свою очередь состоит из 2-х частей: первая часть соединяет центральный узел с распределительными узлами, которые в свою очередь связаны с узлами доступа. Архитектура последнего участка от узла доступа до объекта обычно типа точка-точка, вто время как по отношению к центральному узлу-звезда.

В случае чисто оптического кабеля от центрального узла до абонента информационная нагрузка на кабель распределяется неравномерно. Максимальное количество информации передается по распределительному кабелю, и меньшее количество по абонентскому. Однако поскольку используются делители сигналов, и большинство телевизионных каналов одновременно поступает ко всем абонентам, то информационная нагрузка на кабели на разных участках отличается не сильно, поэтому можно считать, что допустимое число отказов на каждом участке одинаково.

Принципиальная разница в оценке вероятности грозовых повреждений чисто диэлектрических кабелей и кабелей с металлом в конструкции.

Если кабели не содержат металлических экранов или жил, то воздействие внешних полей проявляется только в возможном увеличении поляризационной модовой дисперсии (ПМД). Ввиду относительно малой длины участка увеличение ПМД несущественно и никакой дополнительной защиты не надо.

Если кабели имеют металлические элементы в своей конструкции, то к защите каждого участка в пригородной области следует подходить в соответствии с "Руководством по защите оптических кабелей от ударов молнии" [1) или в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Т К.25 [2], то есть определять грозостойкость каждого кабеля и выбирать необходимую защиту.

При использовании вариантов оптической сети технологий FTTN (оптика до узла), FTTC (оптика до квартала), FTTP (оптика до офиса), где часть линии выполнена в виде медных жил, вопрос о не-

T-Comm, #8-2011

117

об ходимости защиты решается в зависимости от расположения и длины медной линии.

Передача пакетов сообщений.

Трансформируемые линии

Получает распространение система передачи пакетов сообщений, причём пакеты между двумя пунктами могут передаваться в разные моменты времени по розным линиям, а объединение пакетов происходит на конечном пункте. В общем случае, когда сеть или линия состоит из направляющих сред одною типа, например, только из симметричных кобелей, или только из одинаковых оптических кабелей, решения по защите принимаются по участкам, условия на которых можно считать постоянными, как это делается для длинных магистральных линий. Если линия, по которой ведется передача, трансформируемая, то есть в разные интервалы времени ее конфигурация и длина тоже различна, то общая сумма вероятных повреждений и надежность будет также зависеть от времени.

Защита каждого участка осуществляется по одним правилам и в соответствии с одними и теми же нормами, если тип направляющей среды един и тог же, но так как условия на учостках различны, то зо-щита и ее эффективность на разных участках может быть неодинакова. Вследствие этого общая сумма возможных рисков также будет неодинакова и зависеть от интервала времени, в котором осуществляется данная конфигурация. Коммутируемые пакеты в разные моменты могут направляться по разным линиям, и чем чаще будет осуществляться подобная коммутация, чем чаще будет меняться длина и состав виртуальной линии, соответственно будет меняться общая вероятность повреждения и надежность всей составной виртуальной линии. Вероятное число повреждений виртуальной линии будет переменной величиной, заключённой между минимальным и максимальным значением Минимальное значение вероятного числа повреждений виртуальная линия не обязательно будет иметь при роботе связи по кратчайшей физической линии. Если мы хотим чтобы уровень вероятности повреждения виртуальной линии был не ниже

некоторого определенного предела, необходимо рассмотреть все возможные варианты конфигураций данной сети и либо исключить некоторые варианты, не удовлетворяющие требованием, либо усилить защиту некоторых участков сети.

Таким образом при использовании передачи пакетов оценка вероятности повреждения линии в разные моменты времени может отличаться, и минимальное значение вероятного числа повреждений виртуальная линия не обязательно будет иметь при работе связи по крепчайшей физической линии. Если нараду с проводными или оптическими каналами один или несколько участков составляют каналы радиорелейной или спутниковой связи, радиосвязи или направляющие среды какого-либо другого типа, внешние воздействия на отдельные участки линии могут принципиально отличаться друг от друга.

Литература

! Баэелян ЭМ Оэбенности защиты высотт»« сооруже»*т. Труда Второй Российской конференции по молт**еэашите Москва, 22-24 сентября 2010 г.

2 Подпор кин ГА. и др. Молниеэащита В/16-220 кВ мулыикамерными розрадниками и иэоляторами-разрадниками. Труда Второй Российской конференции по молниеэаците. — Москва, 22-24 сентября 2010 г.

3 Подпоре* ГБ. и др. Мол»іезащита ВЛ 6-10 кВ и подходов к подстанциям дпинноискровыми разрядниками. Труда Второй Российской конференции по молниезащите. — Москва, 22-24 сентября 2010 г.

4 VARakov. Lighting: Phenomenology and Parameters Important for EMC Proceedings Asia-Pacific Conference on Environmental Electromagnetics CEEM?2006. Volume 1. August 1 -4, 2006 Dalian. China. P283-288.

5 Соколов CA Оценка вероятного числа грозовых поврвждавій трансформируемой сети связи, состоящей из литй переда*« розного типа Труда Второй Российской конферені^и по молт*«еэащите. — Mocraq, 22-24 сентября 2010.

6. "Руководством по защите оптических кабелей от ударов молнии".

М.2001-

7. Рекомендация МСЭ-ТК.25.

118

T-Comm, #8-2011