Приложение А (справочное). Основы оценки электромагнитной окружающей среды в зоне защиты от молнии LPZ

Приложение А
(справочное)

Основы оценки электромагнитной окружающей среды в зоне защиты от молнии LPZ

А.1 Общие положения

В приложении А приведена информация для оценки электромагнитной окружающей среды при выборе защиты от воздействий электромагнитных импульсов молнии LEMP и для защиты от электромагнитных помех внутри зоны защиты от молнии LPZ.

А.2 Результаты повреждения молнией электрических и электронных систем

А.2.1 Источник повреждения

Источником повреждения является ток молнии и создаваемое им магнитное поле, имеющее ту же форму волны, что и ток молнии.

Примечание - При рассмотрении защиты влияние электрического поля молнии представляет обычно незначительный интерес.

А.2.2 Объект повреждения

Внутренние системы, установленные внутри или на сооружении, имеющие ограниченный уровень стойкости к перенапряжениям и к магнитным полям, могут быть повреждены или могут работать неправильно при воздействии молнии и возникающих вследствие этого магнитных полей.

Системы, установленные снаружи сооружения, могут подвергаться риску воздействия незатухающего магнитного поля и, если они расположены в незащищенном месте, воздействию перенапряжений, создаваемых полным током молнии при прямом ударе молнии.

Системы, установленные внутри здания, могут подвергаться риску воздействия остаточного затухающего магнитного поля, кондуктивных (проводных) или индуктивных внутренних перенапряжений и внешних перенапряжений, заносимых в сооружение проводным путем по входящим линиям.

Уточненные данные, касающиеся уровней стойкости оборудования к перенапряжениям, приведены в следующих стандартах:

- номинальный уровень импульсного напряжения силовой установки указан в таблице F.1 МЭК 60664-1:2007. Для систем напряжением 230/400 В и 277/480 В выдерживаемый уровень определяется номинальным импульсным напряжением 1,5 кВ - 2,5 кВ - 4 кВ и 6 кВ;

- выдерживаемый уровень телекоммуникационного оборудования определен в [3], [4] и [5].

Выдерживаемый уровень оборудования обычно указывается в спецификациях поставочной технической документации или может быть установлен испытанием:

- на воздействие кондуктивных перенапряжений по МЭК 61000-4-5 с испытательными уровнями для напряжения: 0,5 кВ - 1 кВ - 2 кВ и 4 кВ при форме волны 1,2/50 мкс и с испытательными уровнями для тока: 0,25 кА - 0,5 кА - 1 кА и 2 кА при форме волны 8/20 мкс.

Примечание - Для того, чтобы определенное оборудование отвечало требованиям указанного выше стандарта, может понадобиться применение внутренних устройств защиты SPD. Характеристики этих внутренних устройств защиты SPD могут повлиять на условия согласования этих устройств в системе согласованных устройств защиты SPD;

- на воздействие магнитных полей по МЭК 61000-4-9 с испытательными уровнями: 100 А/м - 300 А/м - 1000 А/м при форме волны 8/20 мкс и по МЭК 61000-4-10 с испытательными уровнями 10 А/м - 30 А/м - 100 А/м при частоте 1 МГц.

Оборудование, не удовлетворяющее требованиям соответствующих стандартов на электромагнитную совместимость (ЭМС) продукции к испытаниям на эмиссию и помехозащищенность для радиочастот (RF), может подвергаться риску прямого воздействия на него излучаемых магнитных полей, тогда как выходом из строя оборудования, соответствующего этим стандартам, можно пренебречь.

А.2.3 Механизм взаимосвязи между объектом повреждения и источником повреждения

Уровни стойкости оборудования должны соответствовать воздействиям источника повреждения. Для достижения этого необходимо адекватно управлять механизмами взаимной связи между ними, создавая соответствующие зоны защиты от молнии (LPZ).

А.3 Пространственное экранирование, трассировка линий и экранирование линий

А.3.1 Общие положения

Магнитное поле, создаваемое внутри зоны защиты от молнии LPZ при ударах молнии в сооружение или вблизи сооружения в землю, может быть ослаблено пространственным экранированием только зоны LPZ. Перенапряжения, наведенные в электронной системе, могут быть существенно понижены за счет применения пространственного экранирования либо соответствующей трассировки и экранирования цепей, либо при помощи комбинации обоих методов.

На рисунке А.1 приведен пример воздействия электромагнитного импульса молнии LEMP при ударе молнии в сооружение, имеющее зоны защиты от молнии LPZ 0, LPZ 1 и LPZ 2. Электронная система, которая должна быть защищена, находится внутри зоны защиты LPZ 2.

Рисунок А.1 - Воздействие электромагнитного импульса молнии LEMP при ударе молнии

В таблице А.1 пункты 1, 2 и 3 устанавливают параметры I₀, Н₀ и U_w воздействия электромагнитного импульса молнии, представленного на рисунке А.1.

Соответствующие испытательные параметры, гарантирующие, что оборудование может выдержать ожидаемые перенапряжения в помещении установки, приведены в пунктах 4 и 5.

Таблица А.1 - Параметры источника повреждения и оборудования

1	Первичный источник повреждения - электромагнитный импульс молнии LEMP В соответствии с уровнями защиты от молнии LPL от I до IV:
	МЭК 62305-1		Импульс мкс	Амплитуда для уровней LPL I-II-III-IV кА	Крутизна для уровней LPL I-II-III-IV кА/мкс		Соответствующее воздействие
		I0	10/350	200-150-100-100	20-15-10-10		Частичный ток молнии
			1/200	100-75-50-50	100-75-50-50		Индукция
			0,25/100	50-37,5-25-25	200-150-100-100		Индукция
		Н0	Определяется по соответствующему току I0
2	Номинальный уровень импульсного напряжения силовой установки В соответствии с категориями перенапряжения от I до IV для номинальных напряжений 230/400 В, 277/480 В:
	МЭК 60644-1 Uw		Категория перенапряжения от I до IV			6 кВ - 4 кВ - 2,5 кВ - 1,5 кВ
3	Уровень стойкости телекоммуникационного оборудования Рекомендации [3], [4] и [5]
4	Испытания оборудования при отсутствии соответствующих стандартов на продукцию Уровень стойкости оборудования к воздействиям молнии, передаваемым проводным путем (U, I):
	МЭК 61000-4-5	UOC	Импульс формы 1, 2/50 мкс				4 кВ - 2 кВ - 1 кВ - 0,5 кВ
		ISC	Импульс формы 8/20 мкс				2 кА - 1 кА - 0,5 кА - 0,25 кА
5	Испытания оборудования, не отвечающего требованиям соответствующих стандартов на электромагнитную совместимость (ЭМС) продукции Уровень стойкости оборудования к воздействиям излучения (H):
	МЭК 61000-4-9	Н	Импульс формы 8/20 мкс (затухающее колебание 25 кГц, Тр = 10 мкс)				1000 А/м - 300 А/м - 100 А/м
	МЭК 61000-4-10	Н	Затухающее колебание 1 МГц, (импульс 0,2/0,5 мкс, Tр = 0,25 мкс)				100 А/м - 30 А/м - 10 А/м

Первичными электромагнитными источниками повреждений электронных систем являются ток молнии I₀ и магнитное поле Н₀. Частичные токи молнии протекают по входящим коммуникациям. Эти токи, также как и магнитные поля, имеют примерно одинаковую форму волны. Ток молнии, подлежащий рассмотрению, представляет собой ток первого положительного удара молнии I_F (обычно с длинным хвостом с формой волны 10/350 мкс) и ток первого отрицательного удара молнии I_FN (форма волны 1/200 мкс), и токи последующих ударов молнии I_S (форма волны 0,25/100 мкс). Ток первого положительного удара молнии I_F генерирует магнитное поле H_F, ток первого отрицательного удара молнии I_FN генерирует магнитное поле H_FN, а токи последующих ударов молнии I_S генерируют магнитные поля H_S.

Магнитные индуктивные воздействия в основном вызываются нарастающим фронтом магнитного поля. Как показано на рисунке А.2, нарастающий фронт магнитного поля H_F может характеризоваться полем затухающих колебаний частотой 25 кГц с максимальным значением H_F/MAX и временем достижения максимального значения T_P/F 10 мкс. Аналогично нарастающий фронт магнитного поля H_S может быть охарактеризован полем затухающих колебаний частотой 1 МГц с максимальным значением H_S/MAX и временем достижения максимального значения T_P/S 0,25 мкс. Аналогично нарастающий фронт магнитного поля H_FN может характеризоваться полем затухающих колебаний частотой 250 кГц с максимальным значением H_FN/MAX и временем достижения максимального значения T_P/FN 1 мкс.

Отсюда следует, что магнитное поле первого положительного удара молнии может характеризоваться типичной частотой 25 кГц, магнитное поле первого отрицательного удара молнии - типичной частотой 250 кГц, а магнитное поле последующих ударов молнии - типичной частотой 1 МГц. Магнитные поля затухающих колебаний этих частот для испытательных целей определены в МЭК 61000-4-9 и МЭК 61000-4-10.

За счет установки магнитных экранов и устройств защиты SPD на границе зоны LPZ воздействие неослабленной молнии, определяемое значениями I₀ и Н₀, должно быть понижено до или ниже уровня, выдерживаемого оборудованием. Как показано на рисунке А.1, оборудование должно выдерживать воздействия магнитного поля Н₂ и передаваемые проводным путем токи молнии I₂ и напряжения U₂.

Понижение тока I₁ до тока I₂ и напряжения U₁ до напряжения U₂ рассмотрено в приложении С. Ослабление магнитного поля Н₀ до более низкого значения Н₂ рассматривается ниже.

В случае пространственного экрана в виде сетки можно предположить, что форма волны магнитного поля внутри зон LPZ (Н₁, Н₂) является такой же, как и форма волны магнитного поля снаружи (Н₀).

Кривая затухающих колебаний, показанная на рисунке А.2, соответствует испытаниям, установленным в МЭК 61000-4-9 и МЭК 61000-4-10, и может быть использована для определения уровня стойкости оборудования к магнитным полям, создаваемым нарастанием магнитного поля первого положительного удара молнии H_F и последующих ударов молнии H_S.

Перенапряжения, наведенные магнитным полем, связанным с индукционным контуром (см. А.5), должны быть ниже или равны уровню стойкости оборудования.

Рисунок А.2а - Моделирование нарастания магнитного поля первого положительного удара молнии (10/350 мкс) при помощи одиночного импульса 8/20 мкс (затухающее колебание 25 кГц)

Рисунок A.2b - Моделирование нарастания магнитного поля последующих ударов молнии (0,25/100 мкс) при помощи затухающих колебаний частотой 1 МГц (многократные импульсы 0,2/0,5 мкс)

Примечание 1 - Хотя определения времени достижения максимального значения Т_P и времени нарастания переднего фронта Т₁ различны, для удобства подхода их числовые значения приняты одинаковыми.

Примечание 2 - Отношения максимальных величин H_F/MAX/H_FN/MAX/H_S/MAX = 4:2:1.

Рисунок А.2 - Моделирование нарастания магнитного поля при помощи затухающих колебаний

А.3.2 Пространственные экраны в виде сетки

На практике экраны зон защиты от молнии LPZ большого объема обычно образуются естественными компонентами сооружения, такими как металлическая арматура в потолках, стенах и полах, металлический каркас, металлические крыши и металлические фасады. Совместно эти компоненты образуют пространственный экран в виде сетки. Эффективное экранирование требует, чтобы ширина ячейки сетки была, как правило, меньше 5 м.

Примечание 1 - Эффект экранирования может быть утрачен, если зона защиты от молнии LPZ образована обычной системой внешней защиты от молнии LPS в соответствии с МЭК 62305-3 с типовой шириной ячейки сетки более 5 м. С другой стороны, здание с большим стальным каркасом, содержащим множество стальных колонн, обеспечивает значительный эффект экранирования.

Примечание 2 - Экранирование в соседних внутренних зонах защиты от молнии LPZ может быть обеспечено за счет выполнения пространственного экранирования либо за счет использования закрытых стеллажей или шкафов, либо за счет использования металлических оболочек оборудования.

На рисунке А.3 показано, как на практике металлическая арматура в бетоне и металлические обрамления (металлических дверей и, возможно, экранированных окон) могут быть использованы для создания экрана большого объема для помещения или здания.

Обозначения:

- сварка или зажим на каждом стержне и на пересечениях.

Примечание - На практике для объемных сооружений невозможно выполнить сварку или зажим в каждой точке. Однако большинство точек естественно соединены прямыми контактами или при помощи дополнительной проволоки. Практическим решением может быть выполнение соединений почти через каждый 1 метр.

Рисунок А.3 - Экранирование большого объема с использованием металлической арматуры и металлических обрамлений

Внутренние системы должны быть расположены внутри "безопасного объема", который обеспечивается безопасным расстоянием от экрана зоны защиты от молнии LPZ (см. рисунок А.4). Это необходимо из-за относительно высоких значений магнитных полей вблизи экрана, создаваемых протеканием частичных токов молнии по экрану (в частности для зоны LPZ 1).

Примечание - Объем V_S должен сохранять безопасные расстояния d_s/1 или d_s/2 от экрана зоны защиты от молнии LPZ n - см. А.4.

Рисунок А.4 - Объем для электрических и электронных систем во внутренней зоне LPZ n

А.3.3 Трассировка и экранирование цепей

Перенапряжения, наведенные во внутренних системах, могут быть понижены за счет соответствующего выбора трасс прокладки цепей (уменьшение площади индуктивных контуров) или применения экранированных кабелей или металлических кабельных коробов (ослабление индуктивных воздействий на проводники, проложенные внутри) или комбинации обоих способов (см. рисунки А.5).

Обозначения: 1 - оборудование; 2 - сигнальная электропроводка; 3 - силовая электропроводка; 4 - индуктивный контур	Рисунок А.5а - Незащищенная система
Обозначения: 1 - оборудование; 2 - сигнальная электропроводка; 3 - силовая электропроводка; 5 - пространственное экранирование	Рисунок А.5b - Ослабление магнитного поля во внутренней зоне при помощи применения пространственного экранирования
Обозначения: 1 - оборудование; 2 - сигнальная электропроводка; 3 - силовая электропроводка; 6 - экранирование линий	Рисунок А.5с - Уменьшение влияния поля на линии при помощи экранирования линий
	Рисунок А.5 - Уменьшение индуктивных воздействий при помощи выбора трасс и экранирования
Обозначения: 1 - оборудование; 2 - сигнальная электропроводка; 3 - силовая электропроводка; 7 - уменьшенная площадь контура	Рисунок A.5d - Уменьшение площади индуктивного контура при помощи надлежащей трассировки линий

Рисунок А.5, лист 2

Кабели питающих линий, подключенные к внутренним системам, должны быть проложены как можно ближе к металлическим частям сети уравнивания потенциалов. Целесообразно прокладывать эти кабели в металлических оболочках, используемых в сети уравнивания потенциалов, например в U-образных трубах или в металлических коробах (см. также [6]).

Особое внимание должно быть уделено прокладке кабелей вблизи экрана зоны защиты от молнии LPZ (особенно LPZ 1) в связи с высоким значением магнитных полей в этом пространстве.

Кабели, требующие защиты, прокладываемые между отдельными зданиями, следует прокладывать в металлических кабельных коробах. Эти короба должны быть присоединены на обоих концах к шинам уравнивания потенциалов каждого здания. Если проводимость экранов кабелей (присоединенных к шинам уравнивания на обоих концах) достаточна для проведения ожидаемого частичного тока молнии, дополнительная прокладка металлических коробов не требуется.

Напряжения и токи, наведенные в контурах, образованных установками, приводят к появлению перенапряжений общего вида во внутренних системах. Расчеты этих наведенных напряжений и токов приведены в А.5.

На рисунке А.6 приведен пример большого офисного здания:

Для зоны защиты от молнии LPZ 1 экранирование обеспечивается при помощи стальной арматуры и металлических фасадов, а в зоне защиты от молнии LPZ 2 - при помощи экранирующих оболочек для чувствительных к помехам внутренних систем. Для обеспечения минимального размера ячеек сети уравнивания потенциалов в каждом помещении установлено несколько зажимов уравнивания потенциалов.

Для размещения питающего оборудования напряжением 20 кВ зона защиты от молнии LPZ 0 расширена в зону защиты от молнии LPZ 1, поскольку установка устройств защиты SPD на высокой стороне, сразу на вводе, в данном конкретном случае была невозможна.

Обозначения:

- соединение для уравнивания потенциалов;

- устройство защиты SPD.

Рисунок А.6 - Пример применения мер защиты SPM офисного здания

А.4 Магнитное поле внутри зоны защиты от молнии LPZ

А.4.1 Приблизительная оценка магнитного поля внутри зоны защиты от молнии LPZ

Если теоретическое (А.4.2) или экспериментальное (А.4.3) исследование эффективности экранирования не выполнено, степень ослабления магнитного поля может быть оценена следующим образом.

А.4.1.1 Пространственный сетчатый экран зоны защиты от молнии LPZ 1 в случае прямого удара молнии

Экран здания (экран, окружающий зону защиты от молнии LPZ 1) может быть частью системы внешней защиты от молнии LPS; токи при прямом ударе молнии будут протекать по этой системе. Эта ситуация представлена на рисунке А.7а с предположением, что молния ударяет в здание в произвольной точке крыши.

Примечание - Расстояния d_w и d_r определены для рассматриваемой точки.

Рисунок А.7а - Магнитное поле внутри зоны защиты от молнии LPZ 1

Примечание - Расстояния d_w и d_r определены для границы зоны защиты от молнии LPZ 2.

Рисунок А.7b - Магнитное поле внутри зоны защиты от молнии LPZ 2

Рисунок А.7 - Оценка значений магнитного поля в случае прямого удара молнии

Для напряженности магнитного поля Н₁ в произвольной точке внутри зоны защиты от молнии LPZ 1 применяются следующие формулы:

,

(А.1)

где , м - самое короткое расстояние между рассматриваемой точкой и крышей экранированной зоны защиты от молнии LPZ 1;

, м - самое короткое расстояние между рассматриваемой точкой и стеной экранированной зоны защиты от молнии LPZ 1;

, А - ток молнии в зоне LPZ 0_А;

, - коэффициент формы волны, обычно k_h = 0,01;

, м - ширина ячейки экрана сетчатого типа зоны защиты от молнии LPZ 1.

Результатом расчета по этой формуле является максимальное значение напряженности магнитного поля в зоне защиты от молнии LPZ 1 (с учетом примечания, приведенного ниже):

(A.2)

- напряженность магнитного поля, вызванная первым положительным ударом молнии;

(A.3)

- напряженность магнитного поля, вызванная первым отрицательным ударом молнии;

(A.4)

- напряженность магнитного поля, вызванная последующими ударами молнии,

где , А - максимальное значение тока первого положительного удара молнии в соответствии с уровнем защиты;

, А - максимальное значение тока первого отрицательного удара молнии в соответствии с уровнем защиты;

, А - максимальное значение токов последующих ударов молнии в соответствии с уровнем защиты.

Примечание 1 - Если применена сеть уравнивания потенциалов в виде сетки в соответствии с 5.2, поле ослабляется коэффициентом 2.

Эти значения напряженности магнитного поля действительны только для безопасного объема V_S внутри сетчатого экрана с безопасным расстоянием d_S/1 от экрана (см. рисунок А.4):

(А.5)

,

(А.6)

где SF, дБ - коэффициент экранирования, рассчитанный по формуле таблицы А.3;

, м - ширина ячейки сетчатого экрана.

Примечание 2 - Экспериментальные результаты измерения магнитного поля внутри зоны LPZ 1 с экраном типа сетки показывают, что усиление магнитного поля вблизи экрана меньше, чем данные, полученные из вышеуказанных уравнений.

Пример

В качестве примера рассмотрены три медных экрана, выполненных в виде сетки с размерами, приведенными в таблице А.2 и имеющими среднюю ширину ячейки сетки w_m = 2 м (см. рисунок А.10). В результате получено безопасное расстояние d_S/1 = 2 м, определяющее безопасный объем V_S. Значения напряженности Н_1/МАХ, действительные внутри объема V_S, рассчитаны для тока I_0/MAX = 100 кА, как указано в таблице А.2. Расстояние до крыши равно половине высоты: d_r = Н/2. Расстояние до стены равно половине длины: d_w = L/2 (центр) или равно: d_w = d_S/1 (наихудший случай - рядом со стеной).

Таблица А.2 - Примеры для I_0/MAX = 100 кА и w_m = 2 м

Тип экрана, см. рисунок А.10	, м	Н1/МАХ (центр), А/м	Н1/МАХ (dw = dS/1), А/м
1		179	447
2		36	447
3		80	200

А.4.1.2 Пространственный экран в виде сетки в зоне LPZ 1 в случае близкого удара молнии

Ситуация в случае близкого удара молнии показана на рисунке А.8. Магнитное поле вокруг экранированного объема зоны LPZ 1 может рассматриваться как плоская волна.

Рисунок А.8 - Оценка значений магнитного поля в случае близкого удара молнии

Коэффициент экранирования SF пространственных экранов в виде сетки для плоской волны приведен в таблице А.3.

Таблица А.3 - Ослабление магнитного воздействия плоской волны пространственным экраном, выполненным в виде сетки

Материал	Коэффициент затухания SF (дБ)a, b
	25 кГц (действительно для первого положительного удара молнии)	1 МГц (действительно для последующих ударов) или 250 кГц (действительно для первого отрицательного удара молнии)
Медь или алюминий	(8,5/wm)	(8,5/wm)
Стальс	[(8,5/wm)/]	(8,5/wm)
wm - ширина ячейки сетчатого экрана, м; rc - радиус стержня сетчатого экрана, м. а SF = 0 в случае отрицательного результата, полученного по формуле. b SF увеличивается на 6 дБ, если установлена сеть уравнивания потенциалов в виде сетки в соответствии с 5.2. с Проницаемость   200.

Напряженность магнитного поля Н₀ рассчитывается по формуле

,

(А.7)

где , А - ток молнии в зоне защиты от молнии LPZ 0_А;

, м - расстояние от точки удара молнии до центра экранируемого объема.

Отсюда следует для максимальных значений напряженности магнитного поля в зоне защиты от молнии LPZ 0:

(А.8)

напряженность магнитного поля, вызванная первым положительным ударом молнии;

(А.9)

напряженность магнитного поля, вызванная первым отрицательным ударом молнии;

(А.10)

напряженность магнитного поля, вызванная последующими ударами молнии,

где (А) - максимальное значение тока первого положительного удара молнии в соответствии с выбранным уровнем защиты;

(А) - максимальное значение тока первого отрицательного удара молнии в соответствии с выбранным уровнем защиты;

(А) - максимальное значение токов последующих ударов молнии в соответствии с выбранным уровнем защиты.

Ослабление напряженности магнитного поля от Н₀ до Н₁ внутри зоны защиты от молнии LPZ 1 может быть определено с использованием коэффициента экранирования SF, значения которого приведены в таблице А.3:

,

(А.11)

где SF, дБ - коэффициент экранирования, рассчитанный по формуле таблицы А.3;

, А/м - напряженность магнитного поля в зоне защиты от молнии LPZ 0.

Отсюда следует для максимальных значений напряженности магнитного поля в зоне защиты от молнии LPZ 1:

(А.12)

напряженность магнитного поля, вызванная первым положительным ударом молнии,

(А.13)

напряженность магнитного поля, вызванная первым отрицательным ударом молнии,

(А.14)

напряженность магнитного поля, вызванная последующими ударами молнии.

Эти значения напряженности магнитного поля действительны только внутри безопасного объема V_S, защищенного сетчатым экраном с безопасным расстоянием d_S/2 от экрана (см. рисунок А.4).

(А.15)

,

(А.16)

где SF, дБ - коэффициент экранирования, рассчитанный по формуле таблицы А.3;

, м - ширина ячейки сетчатого экрана.

Дополнительная информация, относящаяся к расчету напряженности магнитного поля внутри сетчатого крана в случае близких ударов молнии, приведена в А.4.3.

Примеры

Напряженность магнитного поля H_1/MAX внутри зоны защиты от молнии LPZ 1 в случае близкого удара молнии зависит от: тока молнии I_0/MAX коэффициента экранирования SF экрана зоны защиты от молнии LPZ 1 и расстояния s_a от канала молнии до центра зоны защиты от молнии LPZ 1 (см. рисунок А.8).

Ток молнии I_0/MAX зависит от выбранного уровня защиты LPL (см. МЭК 62305-1).

Коэффициент экранирования SF (см. таблицу А.3) является, в основном, функцией ширины ячейки сетки экрана.

Расстояние s_a является:

- фактическим расстоянием между центром зоны защиты от молнии LPZ 1 и ближайшим объектом (например, мачтой) в случае удара молнии в этот объект; либо

- минимальным расстоянием между центром зоны защиты от молнии LPZ 1 и каналом молнии в случае удара молнии в землю вблизи зоны LPZ 1.

Наихудшим случаем является случай самого высокого значения тока I_0/MAX при самом возможно малом расстоянии s_a. Как показано на рисунке А.9, это минимальное расстояние s_a является функцией высоты H и длины L (или ширины W) сооружения (LPZ 1) и радиуса катящейся сферы r, соответствующего току I_0/MAX (см. таблицу А.4), определенного из электрогеометрической модели (см. А.4 МЭК 62305-1:2010).

Рисунок А.9 - Расстояние s_a, зависящее от радиуса катящейся сферы и размеров сооружения

Это расстояние может быть рассчитано следующим образом:

(А.17)

(А.18)

Примечание - При расстояниях, меньших этого минимального значения, удары молнии будут происходить напрямую в сооружение.

На основании размеров, приведенных в таблице А.5, могут быть определены три типовых экрана. Принимается медный экран в виде сетки со средней шириной ячейки сетки w_m = 2 м. Этому соответствует коэффициент экранирования SF = 12,6 дБ и безопасное расстояние d_S/2 = 2,5 м, определяющее безопасный объем V_S. Значения напряженностей магнитного поля Н_0/МАХ и H_1/MAX, которые предположительно будут иметь место внутри объема V_S, рассчитаны для тока I_0/МАХ = 100 кА и приведены в таблице А.5.

Таблица А.4 - Радиус катящейся сферы, соответствующий максимальному току молнии

Уровень защиты	Максимум тока молнии, I0/МАХ, кА	Радиус катящейся сферы, r, м
I	200	313
II	150	260
III-IV	100	200

Таблица А.5 - Примеры для тока I_0/МАХ = 100 кА и ширины ячейки сетки w_m = 2 м, соответствующих коэффициенту экранирования SF = 12,6 дБ

Тип экрана, см. рисунок А.10	, м	sa, м	Н1/МАХ, А/м	Н1/МАХ, А/м
1		67	236	56
2		87	182	43
3		137	116	27

А.4.1.3 Пространственные экраны в виде сетки для зоны LPZ 2 и выше

По экранам, выполненным в виде сетки зоны защиты от молнии LPZ 2 и выше, значительные частичные токи молнии протекать не будут. Поэтому в первом приближении уменьшение напряженности магнитного поля от Н_n до Н_n+1 внутри зоны защиты от молнии LPZ _n+1 может быть рассчитано в соответствии с А.4.1.2 для близких ударов молнии

,

(А.19)

где SF, дБ - коэффициент экранирования из таблицы A.3;

, А/м - напряженность магнитного поля в зоне защиты от молнии LPZ n.

Если напряженность Н_n = Н₁, то напряженность поля может быть рассчитана следующим образом:

- в случае прямого удара молнии в сетчатый экран зоны LPZ 1 см. А.4.1.1 и рисунок А.7b, где расстояния d_w и d_r являются расстояниями между экраном зоны LPZ 2 и стеной и крышей;

- в случае ударов молнии вблизи зоны LPZ 1 см. А.4.1.2 и рисунок А.8.

Эти значения напряженности магнитного поля действительны только для безопасного объема V_S внутри экрана, выполненного в виде сетки с расстоянием d_S/2 от экрана (как указано в А.4.1.2 и показано на рисунке А.4).

А.4.2 Теоретическая оценка магнитного поля при прямых ударах молнии

В А.4.1.1 формулы для оценки напряженности магнитного поля Н_1/МАХ базируются на числовых расчетах магнитного поля для трех типовых экранов, выполненных в виде сетки в соответствии с рисунком А.10. Для этих расчетов предполагается удар молнии в один из краев крыши. Канал молнии моделируется вертикальным проводящим стержнем длиной 100 м на верхней части крыши. Идеализированная проводящая плита моделирует поверхность земли.

Рисунок А.10 - Типы экранов большого объема, выполненных в виде сетки

В расчете рассматривается магнитное поле, охватывающее каждый стержень экрана, включая все другие стержни и условный (смоделированный) канал молнии при помощи системы уравнений для расчета распределения тока молнии по сетке. В соответствии с этим распределением тока определяется напряженность магнитного поля внутри экрана. Предполагается, что сопротивлением стержней можно пренебречь. Следовательно, распределение тока по сетчатому экрану и напряженность магнитного поля не зависят от частоты. Чтобы пренебречь кратковременными переходными воздействиями, емкостные связи не учитываются.

Некоторые результаты для экрана типа 1 (см. рисунок А.10) представлены на рисунках А.11 и А.12.

Рисунок А.11 - Напряженность магнитного поля Н_1/МАХ внутри экрана типа 1, выполненного в виде сетки

Рисунок А.12 - Напряженность магнитного поля Н_1/МАХ внутри экрана типа 1 в зависимости от ширины ячейки сетки

Примечание 1 - Результаты экспериментальных исследований магнитного поля внутри зоны защиты от молнии LPZ 1 с экраном, выполненным в виде сетки, показывают, что усиление магнитного поля вблизи экрана ниже, чем полученное на основании вышеприведенных уравнений.

Примечание 2 - Результаты расчетов действительны только для расстояний d_S/1 > w_m до сетки экрана.

Во всех случаях максимальный ток молнии принимается равным I_0/МАХ = 100 кА. На рисунках А.11 и А.12 в качестве напряженности магнитного поля Н_1/МАХ принимается максимальная напряженность магнитного поля в точке, определяемой составляющими Н_х, Н_у и H_z

(А.20)

На рисунке А.11 напряженность магнитного поля Н_1/МАХ рассчитана вдоль прямой линии, начинающейся от точки удара молнии (х = у = 0, z = 10 м) и оканчивающейся в центре объема (х = у = 5 м, z = 5 м). Напряженность магнитного поля Н_1/МАХ изображена в виде кривых в функции координаты х для каждой точки этой кривой, где параметром является ширина ячейки w_m сетчатого экрана.

На рисунке А.12 напряженность магнитного поля Н_1/МАХ рассчитана для двух точек внутри экрана (точка А: х = у = 5 м, z = 5 м; точка В: х = у = 3 м, z = 7 м). Результат дан в виде кривых в функции ширины ячейки сетки w_m.

Оба рисунка показывают влияние главных параметров, определяющих распределение магнитного поля внутри сетчатого экрана: расстояние от стены или крыши и ширина ячейки сетки.

Для рисунка А.11 должно быть отмечено, что при прохождении некоторых других кривых по объему экрана происходит пересечение нулевой оси, и меняется знак напряженности магнитного поля Н_1/МАХ. Формулы в А.4.1.1, следовательно, являются первым приближением к реальному и более сложному распределению магнитного поля внутри экрана, выполненного в виде сетки.

А.4.3 Экспериментальная оценка распределения магнитного поля при прямом ударе молнии

Магнитные поля внутри экранированных сооружений также могут быть определены при помощи экспериментальных измерений. На рисунке А.13 показан пример имитации удара молнии в произвольную точку экранированного сооружения с использованием генератора тока молнии. Такие испытания могут быть выполнены с искусственным источником тока пониженного значения, но стой же типичной формой волны, что и реальный разряд молнии.

Рисунок А.13а - Испытательная установка

Обозначения:

U - обычно это около 10 кВ;

С - обычно это около 10 нФ.

Рисунок А.13b - Генератор тока молнии

Рисунок А.13 - Оценка магнитного поля внутри экранированного сооружения при помощи пониженного напряжения

А.5 Расчет наведенных напряжений и токов

А.5.1 Общие положения

Рассматриваются только прямоугольные формы контуров в соответствии с рисунком А.14. Контуры другой формы должны быть преобразованы в прямоугольную форму с той же площадью контура.

Рисунок А.14 - Напряжения и токи, наведенные в контуре, образованном кабельными линиями

A.5.2 Ситуация внутри зоны защиты от молнии LPZ 1 при прямом ударе молнии

Для напряженности магнитного поля Н₁ внутри объема V_S зоны защиты от молнии LPZ 1 применяется следующее выражение (см. А.4.1.1)

(А.21)

Напряжение холостого хода U_OC определяется так

(A.22)

Пиковое значение напряжения U_OC/MAX возникает во время нарастания переднего фронта Т₁

,

(A.23)

где - равно Вс/Ам;

b, м - ширина контура;

, м - расстояние контура от стены экрана, где d_I/w  d_S/1;

, м - среднее расстояние контура от крыши экрана;

, А - ток молнии в зоне защиты от молнии LPZ 0_А;

, А - максимальное значение тока молнии в зоне защиты от молнии LPZ 0_А;

, - коэффициент формы, обычно k_h = 0,01;

l, м - длина контура;

, с - время нарастания переднего фронта тока удара молнии в зоне защиты от молнии LPZ 0_А;

, м - ширина ячейки сетки экрана.

Ток короткого замыкания I_SC определяется так

,

(A.24)

где принято, что омическое сопротивление проводника пренебрежимо мало (наихудший случай).

Максимальное значение I_SC/MAX определяется так

,

(A.25)

где , Гн - собственная индуктивность контура.

Для прямоугольных контуров собственная индуктивность контура L_S может быть рассчитана так

,

(A.26)

где , м - радиус проводника контура.

Напряжение и ток, наведенные магнитным полем первого положительного удара молнии (Т₁ = 10 мкс), определяются так:

(A.27)

(A.28)

Напряжение и ток, наведенные магнитным полем первого отрицательного удара молнии (Т₁ = 1 мкс), определяются так:

(A.29)

(A.30)

Напряжение и ток, наведенные магнитным полем последующих ударов молнии (Т₁ = 0,25 мкс), определяются так:

(A.31)

,

(A.32)

где , кА - максимальное значение тока первого положительного удара молнии;

, кА - максимальное значение тока первого отрицательного удара молнии;

, кА - максимальное значение тока последующих ударов молнии.

А.5.3 Ситуация внутри зоны защиты от молнии LPZ 1 в случае близкого удара молнии

Магнитное поле H₁ внутри объема V_S зоны защиты от молнии LPZ 1 считается однородным (см. А.4.1.2).

Напряжение холостого хода U_OC определяется так

(А.33)

Пиковое значение напряжения U_OC/MAX возникает во время переднего фронта T₁

,

(А.34)

где - равно Вс/Ам;

b, м - ширина контура;

, А/м - зависящее от времени магнитное поле внутри зоны LPZ 1;

, А/м - максимальное значение магнитного поля внутри зоны LPZ 1;

l, м - длина контура;

, с - время переднего фронта магнитного поля, идентичное времени нарастания переднего фронта тока удара молнии.

Ток короткого замыкания I_SC определяется следующим образом

,

(А.35)

где принято, что омическое сопротивление проводника пренебрежимо мало (наихудший случай).

Максимальное значение I_SC/MAX определяется следующим образом

,

(А.36)

где , Гн - собственная индуктивность контура (для расчета L_S см. А.5.2).

Напряжение и ток, наведенные магнитным полем H_1/F первого положительного удара молнии (Т₁ = 10 мкс), определяются так:

(А.37)

(А.38)

Напряжение и ток, наведенные магнитным полем первого отрицательного удара молнии (Т₁ = 1 мкс), определяются так:

(А.39)

(А.40)

Напряжение и ток, наведенные магнитным полем H_1/S последующих ударов молнии (Т₁ = 0,25 мкс), определяются так:

(А.41)

,

(А.42)

где , А/м - максимальное значение магнитного поля внутри зоны LPZ 1 первого положительного удара молнии;

, А/м - максимальное значение магнитного поля внутри зоны LPZ 1 первого отрицательного удара молнии;

, А/м - максимальное значение магнитного поля внутри зоны LPZ 1 последующих ударов молнии.

А.5.4 Ситуация внутри зоны защиты от молнии LPZ 2 и выше

Магнитное поле Н_n внутри зоны защиты от молнии LPZ n для n  2 считается однородным (см. А.4.1.3).

Поэтому применяются одни и те же формулы (А.4.1.2) для расчета наведенных значений напряжения и тока, где Н₁ заменяется на Н_n.