Приложение D (справочное). Параметры для моделирования воздействия молнии на компоненты LPS

Приложение D
(справочное)

Параметры для моделирования воздействия молнии на компоненты LPS

D.1 Общие положения

В настоящем приложении установлены основные параметры, используемые для моделирования воздействия молнии в лабораторных условиях. Приложение охватывает все компоненты LPS, подвергающиеся воздействию общего (или большей его части) тока молнии. Приложение следует использовать вместе со стандартами, устанавливающими требования и методы испытаний компонентов LPS.

Примечание - Параметры, соответствующие отдельным элементам системы (например, устройствам защиты от импульсных перенапряжений), в приложении не рассмотрены.

D.2 Параметры тока в точке поражения молнией

Параметры тока молнии играют большую роль для обеспечения физической целостности LPS и включают в себя: пиковый ток I, заряд Q, удельную энергию W/R, продолжительность T и крутизну тока (di/dt). В соответствии с нижеприведенным анализом каждый параметр наиболее важен при исследовании одного из процессов, приводящих к отказу. Параметры тока, используемые для испытаний, являются комбинацией этих величин, применяемых в лаборатории для моделирования физического процесса, приводящего к отказу исследуемую часть LPS. Критерии отбора используемых величин приведены в D.5.

В таблице D.1 приведены максимальные значения I, Q, W/R, T и di/dt, используемые для испытаний, как функция необходимого уровня защиты.

Таблица D.1 - Значения параметров, используемых при испытаниях для различных компонентов LPS и различных LPL

Компонент	Основные проблемы	Параметры тока молнии и защиты от молнии					Примечание
Молниеприемник	Эрозия в соединениях (например, тонкие металлические листы)	LPL		T
		I II III - IV	200 150 100	< 1 c (применение в одиночном импульсе)
Молниеприемник и токоотвод	Нагрев элементов электрической цепи	LPL	W/R кДж/Ом	Т			Определение размеров по МЭК 62305-3 помогает сократить количество испытаний
		I II III - IV	10000 5600 2500	Применение WIR в адиабатической конфигурации
	Механические воздействия	LPL	I,кА	W/R, кДж/Ом
		I II III - IV	200 150 100	10000 5600 2500
Элементы соединения	Комбинированное воздействие (термическое, механическое и электрическое)	LPL	I,kA	W/R, кДж/Ом	Г
		I II III - IV	200 150 100	10000 5600 2500	< 2 мс (применение I и W/R в одиночном импульсе)
Система заземления	Эрозия в точке установки	LPL	, Кл	T			Определение размеров обычно основано на механических или химических свойствах (например, коррозия)
		I II III - IV	200 150 100	< 1 с (применение в одиночном импульсе)
Устройство защиты от импульсных перенапряжений, содержащее разрядник искрового разряда	Комбинированное воздействие (термическое, механическое и электрическое)	LPL	I,kA	, Кл	W/R кДж/Ом	di/dt кА/мкс	Применяют I, и W/R в единичном импульсе (T<2 мс); применяют в отдельном импульсе
		I II III - IV	200 150 100	100 75 50	10 000 5600 2500	200 150 100
Устройство защиты от импульсных перенапряжений, содержащее блоки металлооксидных варисторов	Воздействие электрической энергии (перегрузка цепи)	LPL	Кл				Необходимо проверить оба аспекта
		I II III - IV	200 150 100
	Диэлектрическое воздействие (пробой диэлектрика I образование трещин)	LPL	I,кА	Т			Необходимо провести раздельные испытания
		I II III - IV	200 150 100	< 2 мс (применение I в одиночном импульсе)

D.3 Перераспределение тока

Параметры, приведенные в таблице D.1, соответствуют току молнии в точке поражения молнией. Фактически электрический ток обычно уходит в землю по нескольким путям, так как во внешних LPS обычно присутствуют несколько токоотводов и естественных проводников. Кроме того, к защищаемому зданию (сооружению) обычно подходят линии коммуникаций (водные и газовые трубы, электрические и телекоммуникационные линии и т.п.). Для определения параметров фактического движения тока в определенных компонентах LPS должно быть принято во внимание перераспределение тока. Должны быть оценены амплитуда и форма скачка тока, проходящего через компонент в определенной точке LPS. Если индивидуальная оценка невозможна, то параметры тока могут быть оценены посредством следующих процедур.

Для оценки перераспределения тока в пределах внешних LPS может быть применен коэффициент конфигурации (см. приложение С МЭК 62305-3). Этот коэффициент позволяет получить количественную оценку доли тока молнии, протекающего по токоотводам внешних LPS в наихудшем случае.

Для оценки перераспределения тока при наличии открытых токопроводящих частей, электрических и телекоммуникационных линий, подведенных к защищаемому зданию (сооружению), могут быть приняты приближенно значения и , приведенные в приложении Е.

Описанный подход применим для оценки пикового значения тока, протекающего по одному определенному пути в землю. Вычисление других параметров тока выполнено на основе следующих соотношений:

,

(D.1)

,

(D.2)

,

(D.3)

,

(D.4)

где - значение рассматриваемых величин (пиковый ток , заряд , удельная энергия , крутизна тока ), соответствующее определенному пути тока в землю "р";

х - значение рассматриваемых величин (пиковый ток I, заряд Q, удельная энергия (W/R), крутизна тока (di/dt)),

соответствующее общему току молнии;

k - коэффициент перераспределения тока;

- коэффициент перераспределения тока для внешних LPS (см. приложение С МЭК 62305-3);

, - коэффициенты перераспределения тока при наличии внешних токопроводящих частей, электрических и телекоммуникационных линий, входящих в защищаемое здание (сооружение) (см. приложение Е).

D.4 Воздействие тока молнии

D.4.1 Термическое воздействие (нагрев)

Термическое воздействие тока молнии вызвано прохождением электрического тока через проводники или элементы LPS. Резистивный нагрев также возникает при замыкании в точке соединения и во всех изолированных частях LPS.

D.4.1.1 Резистивный нагрев

Резистивный нагрев может возникнуть в любом компоненте LPS, проводящем существенную часть тока молнии. Минимальная площадь поперечного сечения проводников должна быть достаточной для предотвращения перегрева проводников до уровня, когда может возникнуть пожароопасная ситуация. Наряду с термическими воздействиями, описанными в D.4.1, следует также исследовать механическую устойчивость и критерии долговечности для выступающих частей здания (сооружения), подверженного воздействию климатических факторов и/или коррозии. Для предотвращения угрозы для жизни и здоровья людей и убытков вследствие взрыва или пожара необходимо исследовать нагревающийся проводник.

Ниже приведены рекомендации по выполнению оценки повышения температуры проводника под действием тока молнии.

Аналитический подход состоит в следующем.

Мгновенная мощность, превращающаяся в тепло при прохождении электрического тока, имеет вид:

.

(D.5)

Тепловая энергия, произведенная полным импульсом тока молнии, равна активному (омическому) сопротивлению исследуемых компонентов LPS, умноженному на удельную энергию импульса. Эта тепловая энергия, выраженная в джоулях (Дж) или ваттах в секунду (Вт/с), имеет вид:

.

(D.6)

При ударе молнии фазы высокой удельной энергии молнии являются очень короткими по времени, и появляющееся в здании (сооружении) тепло быстро рассеивается. Поэтому такое явление считают адиабатическим.

Температура проводников LPS может быть оценена следующим образом:

,

(D.7)

где - - повышение температуры проводников, K;

- температурный коэффициент сопротивления, 1/K;

W/R - удельная энергия импульса тока, Дж/Ом;

- удельное омическое сопротивление проводника в окружающей температуре, ;

q - площадь поперечного сечения проводника, ;

- плотность материала, ;

- тепловая емкость, Дж/кгК;

- температура плавления, °С.

Значения характеристик физических параметров, описанных в уравнении (D.7), для различных материалов, используемых в LPS, приведены в таблице D.2. В качестве примера применения уравнения (D.7) в таблице D.3 приведены данные повышения температуры проводников, изготовленных из различных материалов, как функция W/R и площади поперечного сечения проводника.

Обычная молния характеризуется коротким ударом (время полуспада менее 100 мкс) и высоким пиковым значением тока. В этих условиях необходимо учитывать поверхностный эффект (скин-эффект). Однако на практике в большинстве случаев, связанных с компонентами LPS, характеристики материалов (динамическая магнитная проницаемость проводника LPS) и геометрическая конфигурация (площадь поперечного сечения проводника LPS) уменьшают воздействие скин-эффекта на повышение температуры проводника до незначительного уровня.

Компонент разряда молнии, наиболее способствующий нагреву, - первый возвратный удар молнии.

Таблица D.2 - Физические характеристики материалов, используемых в компонентах LPS

Характеристика	Материал
	Алюминий	Мягкая (низкоуглеродистая) сталь	Медь	Нержавеющая сталь(а)
,
, 1/К
,	2700	7700	8920
, °C	658	1530	1080	1500
, Дж/кг				-
, Дж/кгK	908	469	385	500
(а) Аустенитная, не магнитная.

Таблица D.3 - Повышение температуры проводников с различными поперечными сечениями как функция W/R

Поперечное сечение,	Материал
	Алюминий			Мягкая (низкоуглеродистая) сталь			Медь			Нержавеющая сталь(a)
	W/R, МДж/Ом
	2,5	5,6	10	2,5	5,6	10	2,5	5,6	10	2,5	5,6	10
4	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
10	564	-	-	-	-	-	169	542	-	-	-	-
16	146	454	-	1120	-	-	56	143	309	-	-	-
25	52	132	283	211	913	-	22	51	98	940	-	-
50	12	28	52	37	96	211	5	12	22	190	460	940
100	3	7	12	9	20	37	1	3	5	45	100	190
(а) Аустенитная, не магнитная.

D.4.1.2 Термическое повреждение в месте установки

Термическое повреждение в месте установки может произойти во всех компонентах LPS, в которых может возникнуть короткое замыкание, т.е. в системе молниеприемников, зазоров безопасности на случай искрения и т.д.

В местах соединения может произойти оплавление и эрозия материала. В основании электрической дуги температура достигает высоких значений из-за высокой плотности электрического тока. Большая часть тепловой энергии обычно распространяется по поверхности металла или близко от нее. Высокая температура, возникающая непосредственно в основании дуги, является избыточной и может быть поглощена металлом проводника, а ее избыток может быть рассеян путем излучения тепла или затрачен на плавление или выпаривание металла. Интенсивность процесса зависит от амплитуды и продолжительности тока.

D.4.1.2.1 Общие положения

Для вычисления термических воздействий на металлические поверхности в точке воздействия тока молнии были разработаны несколько теоретических моделей. В настоящем стандарте приведена только модель выравнивания потенциалов. Применение этой модели особенно эффективно для тонких металлических поверхностей. Во всех случаях данный метод приводит к консервативным результатам, поскольку в качестве постулата принято то, что вся энергия, возникающая в точке воздействия молнии, используется на плавление или выпаривание материалов проводника без учета распространения тепла внутри металла. В других моделях использована зависимость повреждения в месте воздействия молнии от продолжительности импульса тока.

D.4.1.2.2 Модель снижения разности потенциалов

Потребляемую энергию W в основании электрической дуги рассчитывают как произведение разности потенциалов анода/катода и заряда молнии Q:

.

(D.8)

Так как практически константа в диапазоне рассматриваемых значений тока молнии, то энергия в основании дуги зависит от заряда молнии Q.

Разность потенциалов между анодом/катодом достигает значений в несколько десятков Вт.

Упрощенный подход предполагает, что вся энергия, образующаяся в основании электрической дуги, расходуется только на плавление материала. В уравнении (D.9) использовано это предположение, но оно часто дает завышенную оценку объема плавления.

,

(D.9)

где V - объем плавления металла, ,

- разность потенциалов на аноде/катоде (принятая как константа), В;

Q - заряд молнии, Кл;

- плотность материала, ;

- теплоемкость, Дж/кгК;

- температура плавления, °С;

- температура окружающей среды, °С;

- удельная теплота плавления, Дж/кг.

Значения характеристик физических параметров, используемых в уравнении (D.9) для различных материалов, применяемых в LPS, приведены в таблице D.2.

В основном, рассматриваемый заряд - это сумма зарядов возвратного удара молнии и текущего тока молнии. Лабораторный опыт показал, что воздействие заряда возвратного удара молнии незначительно по сравнению с воздействием заряда молнии.

D.4.2 Механические воздействия

Механическое воздействие тока молнии зависит от амплитуды и продолжительности тока, а также от характеристик упругости материала, на который воздействует молния. Механическое воздействие также зависит от трения между частями LPS, если это имеет место.

D.4.2.1 Магнитное взаимодействие

Магнитные силы возникают между двумя проводниками под воздействием электрического тока или, если существует только один проводник между его частями, образующими угол или петлю.

Если ток проходит по последовательной цепи, амплитуда электродинамических сил, возникающих в различных участках цепи, зависит как от амплитуды тока молнии, так и от конфигурации цепи. Механическое воздействие сил электромагнитного взаимодействия зависит не только от амплитуды тока, но также и от формы проводника, силы тока, его продолжительности, конфигурации системы.

D.4.2.1.1 Электродинамические силы

Электродинамические силы, возникающие под воздействием тока i в проводнике, имеющем параллельные участки длиной , на расстоянии d, как показано на рисунке D.1, могут быть приближенно вычислены по следующей формуле:

,

(D.10)

где F(t) - электродинамическая сила, Н;

i - ток, А;

- магнитная проницаемость вакуума, Гн/м;

L - длина проводников, м;

d - расстояние между прямыми параллельными проводниками, м.

Рисунок D.1 - Общая схема двух проводников для вычисления электродинамической силы

В LPS часто применяют расположение проводников под углом в 90° с соединением проводников вблизи угла, как показано на рисунке D.2. Схема напряжений для этой конфигурации показана на рисунке D.3. Осевая сила, возникающая на горизонтальном проводнике, имеет тенденцию вытаскивать проводник из соединения. Значение силы для горизонтального проводника определяют исходя из пикового значения тока 100 кА и длины вертикального проводника 0,5 м (см. рисунок D.4).

Рисунок D.2 - Конфигурация проводников в LPS	Рисунок D.3 - Схема распределения напряжений для конфигурации проводников, представленной на рисунке D.2

Рисунок D.4 - График зависимости силы на единицу длины F для горизонтального проводника, изображенного на рисунке D.2

D.4.2.1.2 Влияние электродинамических сил

Мгновенное значение электродинамической силы F(t) пропорционально квадрату мгновенного тока . Для анализа роста напряжения в механической структуре LPS необходимо оценить упругую деформацию (f) и коэффициент упругости k структуры LPS. Частота собственных колебаний (связанная с упругостью) и постоянная деформация LPS (связанная с ее пластичностью) являются наиболее важными параметрами. Кроме того, во многих случаях воздействие сил трения внутри структуры также имеет существенное значение.

Амплитуда колебаний упругой структуры LPS, вызванных электродинамической силой, возникающей под воздействием тока молнии, может быть оценена с помощью дифференциального уравнения второго порядка. Ключевым фактором является соотношение между продолжительностью импульса тока и периодом естественных механических колебаний структуры LPS. Обычно для LPS характерен большой период естественных колебаний структуры LPS и малый период колебаний под воздействием электродинамических сил. В этом случае максимальное механическое напряжение возникает после прекращения импульса тока и имеет значение ниже, чем при воздействии молнии. В большинстве случаев максимальным механическим напряжением можно пренебречь.

Пластическая деформация возникает, когда напряжение при растяжении превышает предел пластичности материала. Если материал, из которого состоит структура LPS мягкий, например алюминий или отожженная медь, электродинамические силы могут изогнуть проводники в углах и петлях. Должны быть разработаны специальные компоненты LPS для того, чтобы противостоять этим силам и повысить упругость соответствующих элементов.

Полное механическое напряжение в структуре LPS зависит от интеграла времени, приложенной силы и, таким образом, от удельной энергии, соответствующей импульсу тока. Оно также зависит от формы импульса тока и его продолжительности (по сравнению с периодом естественных колебаний структуры). Все эти параметры должны быть учтены при испытаниях LPS.

D.4.2.2 Повреждение ударной акустической волной

Если ток молнии движется по дуге, то возникает ударная волна. Сила удара зависит от пикового значения тока молнии и интенсивности повышения тока молнии.

Обычно повреждения, вызванные акустической ударной волной, являются незначительными для металлических частей LPS, но могут нанести повреждения окружающим объектам.

D.4.3 Комбинированные воздействия

На практике и тепловые, и механические воздействия происходят одновременно. Температура плавления материалов компонентов LPS (пруты, зажимы и т.д.) должна быть достаточной для того, чтобы избежать размягчения материалов, в противном случае могут произойти существенно более значительные повреждения. В чрезвычайных случаях проводник может при взрыве расплавиться и причинить значительное повреждение зданию (сооружению) и его окружающей среде. Если поперечное сечение металла достаточно, то необходимо проверить только его механическую целостность.

D.4.4 Искрение

В общем случае искрение опасно только в пожароопасной среде. На практике чаще всего искрение не влияет на компоненты LPS.

Могут произойти два различных типа искрения: термическое искрение и искрение, вызванное повышением напряжения. Термическое искрение происходит в случае, когда очень высокий ток возникает в месте соединения двух проводящих материалов. Наибольшее термическое искрение происходит в месте контакта, если сила прижатия слишком мала. Оно вызвано высокой плотностью тока и слабым контактом. Интенсивность теплового искрения связана с удельной энергией, и поэтому самой критической фазой молнии является первый возвратный удар. Искрение, вызванное повышением напряжения, происходит в случае, когда ток идет по криволинейному, извилистому пути, например в соединении, и наведенное напряжение, возникающее в петле, превышает напряжение пробоя между металлическими частями. Наведенное напряжение пропорционально собственной индуктивности, умноженной на крутизну тока молнии. Поэтому для искрения, вызванного повышением напряжения, самым критическим компонентом молнии является последующий отрицательный разряд.

D.5 Компоненты LPS, связанные с ними проблемы и исследуемые параметры

D.5.1 Общие положения

Системы защиты от молнии обычно создают из нескольких различных компонентов, каждый из которых выполняет определенную функцию в системе. Характер компонентов и удельное напряжение, которому они подвергаются, требуют отдельного анализа при проведении лабораторных испытаний для проверки их характеристик.

D.5.2 Молниеприемник

Системы молниеприемников обычно подвергаются механическим и термическим воздействиям (см. D.5.3), однако следует учитывать высокую долю тока молнии, проходящего через молниеприемник. В некоторых случаях образуется эрозия под воздействием электрической дуги, особенно в естественных компонентах LPS, например в виде тонких металлических покрытий кровли или стен (где может произойти пробой или чрезмерное повышение температуры поверхности) и временно изолированных частей.

Для исследования эрозии под воздействием электрической дуги следует рассмотреть два главных параметра испытаний: заряд продолжительного тока и время его протекания.

Заряд определяет энергию в основании дуги. В частности, длительные удары являются наиболее важными для этого вида воздействия, тогда как короткими ударами можно пренебречь.

Продолжительность протекания тока играет важную роль в нагревании материалов. Продолжительность тока, используемая при испытаниях, должна быть сопоставима с продолжительностью тока длительного удара (от 0,5 до 1 с).

D.5.3 Токоотводы

Основные воздействия на токоотводы представляют собой:

- термические воздействия, вызванные резистивным нагревом;

- механические воздействия, вызванные магнитным взаимодействием, когда ток молнии протекает по расположенным рядом проводникам, изменяет направление своего движения (изгибы или связи между проводниками, расположенными под углом относительно друг друга).

В большинстве случаев эти два вида воздействий не зависят друг от друга, и поэтому могут быть проведены независимые лабораторные испытания для проверки каждого воздействия. Этот подход может быть применен во всех случаях, когда возникающий нагрев не изменяет механических характеристик проводников.

D.5.3.1 Резистивный нагрев

Расчеты и измерения, связанные с нагреванием проводников различных поперечных сечений из разных материалов, вызванным током молнии, были исследованы несколькими авторами. Основные результаты этой работы с графиками и формулами приведены в D.4.1.1. Поэтому в общем случае нет необходимости применения исследований для проверки поведения проводника при повышении температуры.

Во всех случаях, для которых требуется исследование параметров проводника, должно быть учтено следующее:

- Основными исследуемыми параметрами в этом случае являются удельная энергия и продолжительность импульса тока.

- Повышение температуры из-за резистивного нагрева зависит от удельной энергии. Исследуемые числовые значения должны соответствовать первому удару молнии. Как правило, данные получены при исследовании положительных разрядов.

- Продолжительность импульса тока молнии оказывает решающее воздействие на процесс теплообмена с окружающей средой исследуемого проводника. В большинстве случаев продолжительность импульса тока настолько коротка, что процесс нагрева можно считать адиабатическим.

D.5.3.2 Механические воздействия

Как показано в D.4.2.1, механические взаимодействия возникают между проводниками, по которым проходит ток молнии. Возникающая сила пропорциональна току, проходящему в проводниках (или квадрату тока, если исследуется отдельный изогнутый проводник), и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками.

Ситуация, в которой появляется механическое воздействие, возникает, когда проводник имеет петлю или изогнут. Если по такому проводнику проходит ток молнии, на проводники действует механическая сила, которая может увеличить петлю или угол, и, таким образом, изогнуть проводник наружу. Величина этой силы пропорциональна квадрату амплитуды тока. Необходимо точно представлять отличие между электродинамической силой, пропорциональной квадрату амплитуды тока, и упругим напряжением, которое зависит от механических свойств структуры LPS. Для структуры LPS с относительно низкими естественными частотами упругое напряжение, возникающее в структуре LPS, значительно ниже, чем электродинамическая сила. В этом случае отсутствует необходимость лабораторных исследований для проверки механического поведения изогнутого под прямым углом проводника, если выполнены стандартные требования к площади его поперечного сечения.

Во всех случаях, когда необходимы лабораторные испытания (специально для мягких материалов), должны быть учтены следующие положения. Следует рассмотреть три параметра первого возвратного удара: продолжительность, удельную энергию импульса тока и, в случае твердых систем, амплитуду тока.

От продолжительности импульса тока, по сравнению с периодом естественных механических колебаний структуры LPS, зависит тип механического воздействия на систему с точки зрения смещения:

- Если продолжительность импульса тока намного меньше, чем период естественных механических колебаний структуры LPS (нормальный случай для структур LPS, подвергнутых напряжению импульсами тока молнии), то масса и эластичность системы препятствуют смещению, и поэтому соответствующее механическое напряжение по существу связано с удельной энергией импульса тока. Пиковое значение импульса тока имеет ограниченное воздействие.

- Если продолжительность импульса тока сопоставима с периодом естественных механических колебаний структуры или выше него, смещение системы более чувствительно к форме скачка приложенного напряжения. В этом случае пиковое значение импульса тока и его удельная энергия должны быть воспроизведены при испытаниях.

Удельная энергия импульса тока влияет на напряжение, которое вызывает упругую и пластическую деформацию структуры LPS. Рассматриваемые числовые значения соответствуют первому удару молнии.

Максимальное значение импульса тока влияет на максимальное смещение структуры LPS в случае твердых систем, имеющих высокую частоту естественных колебаний. Рассматриваемые числовые значения соответствуют первому удару молнии.

D.5.3.3 Соединительные компоненты

Элементы соединения смежных проводников LPS являются наиболее вероятными местами механических и термических повреждений.

В месте размещения соединения, когда проводники соединены под прямым углом, основные воздействия напряжений связаны с возникающими механическими силами, которые стремятся распрямить изгиб проводника и, преодолевая сопротивление силы трения между элементами соединения и проводниками, растягивают элементы соединения. Появление электрической дуги возможно в местах контакта частей. Кроме того, определенное влияние оказывает нагревание поверхностей контакта.

Лабораторные испытания показали, что выделить каждое воздействие очень трудно. Механическая сила возникает из-за локального плавления области контакта. Относительное смещение между частями элементов соединения способствует возникновению электрической дуги и последующему интенсивному повышению температуры.

В отсутствие достоверной модели лабораторные испытания необходимо проводить так, чтобы представить наиболее близко к реальным условиям параметры тока молнии в самой критической ситуации, т.е. для параметров тока молнии должны быть проведены специальные испытания.

В данном случае следует исследовать три основных параметра: пиковое значение, удельную энергию и продолжительность импульса тока.

Максимальное значение импульса тока вызывает максимальную силу и, если электродинамическая сила натяжения превышает силу трения, максимальное смещение структур LPS. Исследуемые числовые значения должны соответствовать первому удару. Обычно опубликованные данные получены при анализе положительных разрядов.

Удельная энергия импульса тока вызывает нагревание контактных поверхностей, где большой ток проходит через небольшую площадь контакта. Исследуемые числовые значения должны соответствовать первому удару. Обычно данные получают при анализе положительных разрядов.

Продолжительность импульса тока влияет на максимальное смещение структуры после того, как превышена сила трения, и играет важную роль в явлениях теплопередачи в материалах.

D.5.3.4 Заземлители

На практике проблемы с электродами заземления связаны с коррозией и механическими повреждениями, вызванными неэлектродинамическими силами. Разрушение электрода заземления не имеет существенного значения. Однако необходимо также учитывать, что, несмотря на наличие токоотводов, обычно LPS имеет несколько электродов заземления. Ток молнии делится между несколькими электродами заземления LPS, уменьшая коррозию вследствие воздействия стекающего тока.

В этом случае в процессе испытаний следует рассмотреть два основных параметра: заряд и продолжительность импульса тока (продолжительный разряд).

- Заряд определяет энергию и ток, стекающий в землю. В частности, энергией первого удара молнии можно пренебречь, так как длительные удары обычно оказывают более существенное влияние на разрушение электродов.

- Продолжительность импульса тока играет важную роль в явлениях теплоотдачи в материалах. Продолжительность импульсов тока в процессе испытаний должна быть сопоставима с продолжительностью длительных ударов (от 0,5 до 1 с).

D.6 Устройства защиты от импульсных перенапряжений

D.6.1 Общие положения

Воздействие молнии на устройство защиты от импульсных перенапряжений зависит от типа рассматриваемого устройства защиты. При этом необходимо учесть наличие или отсутствие искрового промежутка.

D.6.2 Устройство защиты от импульсных перенапряжений, содержащее искровые промежутки

Воздействие на искровой промежуток, вызванное молнией, может быть отнесено к одной из двух основных категорий:

- эрозия электродов разрядника от нагрева, плавления и испарения материалов;

- механическое напряжение, вызванное ударной волной разряда.

Эти воздействия чрезвычайно трудно исследовать изолировано от других процессов, они связаны сложными соотношениями с основными параметрами тока молнии.

Для искровых промежутков лабораторные испытания должны проводиться таким образом, чтобы наиболее реалистично представить параметры тока молнии в самой критической ситуации, т.е. должны быть учтены все параметры тока молнии.

При этом должны быть рассмотрены пять параметров: пиковое значение, заряд, продолжительность, удельная энергия и интенсивность повышения импульса тока.

Характеристикой воздействия импульса тока, вызванного ударом молнии, является пиковое значение тока. Исследуемые числовые значения должны соответствовать первому удару. Обычно данные получены при анализе положительных разрядов.

Заряд формирует подводимую энергию электрической дуги в разряднике. Энергия дуги вызывает нагревание, плавление и выпаривание части материала электрода в месте его контакта с дугой. Исследуемые числовые значения должны соответствовать общей энергии удара молнии. Однако во многих случаях зарядом длительного удара можно пренебречь, в зависимости от схемы системы заземления источника электропитания (TN, TT или IT)*.

Продолжительность импульса тока влияет на распространение тепла в массе электрода и распространение зоны плавления.

Удельная энергия импульса тока определяет магнитное сжатие дуги и физику взаимодействия между поверхностью электрода с дугой (которое может существенно уменьшить область расплавления материала электрода). Исследуемые числовые значения должны соответствовать первому удару. Опубликованные данные получены при анализе положительных разрядов.

Примечание - Для устройства с искровыми зазорами, используемыми в системах электропитания, вероятная амплитуда сопровождаемого тока с определенной частотой и напряжением в сети составляет важный фактор, который должен быть учтен.

D.6.3 Устройство защиты от импульсных перенапряжений, содержащее металлооксидные варисторы

Воздействие тока молнии на металлооксидные варисторы может привести к повреждениям двух видов: повышению механического напряжения и пробою диэлектрика. Каждому виду соответствует свой режим отказа, вызванный различными проявлениями молнии и характеризуемый различными параметрами. Отказ металлооксидного устройства защиты связан с его слабыми местами, и поэтому маловероятно появление отказа, вызванного комбинацией электростатического и механического напряжений. Благодаря этому возможно проведение отдельных испытаний для проверки варистора в каждом режиме отказа.

Воздействия молнии на металлооксидные варисторы являются следствием поглощения энергии, превышающей возможности устройства. Чрезмерная энергия связана непосредственно с энергией молнии. Однако в устройствах защиты от импульсных перенапряжений, установленных на системах электропитания, сопровождающий ток энергосистемы сразу после прекращения тока молнии может также вызвать полное разрушение устройства защиты. Наконец, устройство защиты может быть полностью разрушено в результате нагрева, обусловленного отрицательным температурным коэффициентом вольт-амперных характеристик резистора. Для моделирования внутренних напряжений металлооксидных варисторов следует рассматривать один основной параметр: заряд.

Заряд определяет подводимую энергию в металлооксидном блоке резистора, при этом остаточное напряжение металлооксидного блока резистора считают постоянным. Исследуемые значения должны соответствовать вспышке молнии.

Пробой диэлектрика и образование трещин вызваны скачками тока, превышающими возможности резисторов. Этот режим отказа обычно возникает вследствие разряда и иногда вызывает поверхностный пробой диэлектрика в блоке резистора, который вызывает трещины или отверстия в изоляции. Отказ главным образом связан с диэлектрической неустойчивостью изоляции блока резистора.

Для моделирования данного явления следует рассмотреть два основных параметра: максимальное значение и продолжительность импульса тока.

Максимальное значение импульса тока определяют с помощью связи остаточного напряжения и превышения максимальной электрической прочности изоляции резистора. Исследуемые числовые значения должны соответствовать первому удару. Обычно данные получают при анализе положительных разрядов.

Время воздействия импульса тока влияет на продолжительность воздействия напряжения и вызывает старение изоляции резистора.

D.7 Обзор параметров, применяемых при испытаниях компонентов LPS

В таблице D.1 приведены наиболее критичные аспекты каждого компонента LPS при выполнении своей функции и параметры тока молнии, которые необходимо воспроизвести в лабораторных испытаниях.

Значения параметров, приведенные в таблице D.1, соответствуют основным параметрам молнии в точке поражения.

Используемые при испытаниях значения могут быть вычислены путем анализа перераспределения тока с помощью коэффициентов перераспределения тока в соответствии с D.3.

Значения параметров, используемые при испытаниях, могут быть вычислены на основе данных таблицы D.1 с применением понижающих коэффициентов перераспределения тока (см. D.3).