Мълнията се образува вследствие на създаване и нарастване на статичен електрически потенциал между мълниеносния облак и земната повърхност. На практика между облака и земната повърхност се образува огромен въздушен кондензатор, чийто електрически заряд постоянно се увеличава до достигане напрежението на пробив в кондензатора, което представлява и самата мълния. В общия случай процесът на мълниеобразуване започва с тръгването на най-мощния електрически заряд (лидера) от облака към земята (фиг. 1).
Фиг. 1
Когато този заряд достигне на определено разстояние от земната повърхност, индуцирани от него други електрически заряди с обратен поляритет (обратни лидери), тръгват от земната повърхност нагоре към облака (Фиг. 2).
Фиг. 2
След известно време, лидерът (ел. заряд от облака) се среща с най-мощния от обратните лидери (електрически заряди, тръгнали от земната повърхност нагоре).
Изборът на срещата на двата противоположни лидера се определя от това, къде въздушният слой създава условия за най-ниско омическо съпротивление, а не от най-малкото разтояние между тях (фиг. 3).
Фиг. 3
Срещата на двата лидера във въздуха образува канала на мълнията (мястото на късото съединение, в което се извършва разряда на огромния въздушен кондензатор). Това природно явление се нарича мълния. То е свързано с ярка светлина, последвана от силен гръм (фиг. 4).
Фиг. 4
Акумулиращата се в канала на мълнията електрическа енергия е с изключително голям потенциал, (характеризира се с протичането през нея на много голям ток /от 20 кА до 200 кА/ с напрежение в порядъка на стотици милиона волта. Температурата на въздуха в това пространство също достига за кратко време много високи стойности (20 000о – почти до тези на плазмата), а разрушителната способност на освободената енергия е близка до термоядрената.
Защитата от тези мощни природни въздействия върху хора, животни, сгради и външни съоръжения, се осъществява с помощта на добре проектирана за всеки конкретен случай система на мълниезащита. Тази система включва в себе си три основни компонента – мълниеприемник, токоотвод и заземител. Изградени и свързани правилно, тези компоненти осигуряват възможността, насочилата се към мълниезащитения обект (по пътя на най-ниското омическо съпротивление) енергия на мълнията, да попадне върху мълниеприемника (а не върху повърхността на самия обект) и с помощта на токотводите и заземителите, да бъде отведена в земната кора.
Основният принцип на активните мълниеприемници с изпреварващо действие е, че посредством вградена в мълниеприемника електроника или електромеханика, се създават условия обратният електрически заряд (обратният лидер), да не тръгва в обичайното природообосновано време (както е при обикновенната мълниеприемна мачта), а с определено изпреварващо време – ΔТ. Т.е., двата електрически заряда се срещат на много по-голямо отстояние от върха на мълниеприемника (ΔL+rs).
ΔL=Vcb . ΔТ,
където: Vcb= 1m/μs – средната стойност на скоростта на електрическия заряд.
За да се осигури и адекватна защита е необходимо да се познават видовете влияния на мълниите върху електрически съоръжения и вериги:
- пряко попадение
– пряко попадение върху външни отделни стоящи мълниеотводи (пръти, въжета) или на изолирани токоотводи, разположени на защитавания обект (галванично куплиране) – ще се индуктира в заземителния проводник пренапрежение от порядъка на няколко хиляди волта. От друга страна потенциалът на фазовите проводници и нулевия проводник остава съответно 230 V, а спрямо земя – 0 V. Електрическото оборудване, свързано между фазовите проводници и земя, ще се повреди и част от тока на мълнията ще протече през него.
– пряко попадение върху въздушна линия (проводимо куплиране) – голямото количество енергия, пряко влизаща в инсталацията ще разруши електрическото или електронно оборудване, свързано към нея.
- попадение в околностите (индиректно попадение) – магнитното поле, предизвикано от мълнията ще генерира пренапрежение във всеки затворен контур, съставен от проводници (ефект на трансформатора/магнитно куплиране).
– непряко индуктивно куплиране – въздушните линии представляват затворен контур, тъй като неутралата или защитния проводник се заземяват на всеки няколко стълба. Попадение в околностите на такава линия ще генерира пренапрежение в нея.
– пряко индуктивно куплиране – попадение на мълния върху външни мълниеотводи на съоръжение, което ще индуктира пренапрежение в затворените контури на електрическата мрежа.
Защита от пренапрежение. Аресторни защити
Защитата на електрическите и електронни мрежи, апаратура и уреди от атмосферни и комутационни пренапрежения се осъществява с помощта на арестoри (surgeprotectors) и арестoрни групи. Чрез тях да се ограничат преходните и атмосферни пренапрежения които циркулират в мрежата, до допустими стойности (според нивото на изолация), които притежават защитаваните електрически и електронни уреди.
Мълнията притежава форма на вълната, която се характеризира с много рязък, деструктивен пик на тока и дълга опашка от излишна енергия. В допълнение към голямата амплитуда, основен проблем е много високата скорост на повишаване на тока, която води до висока стойност на напрежение, индуктирано в проводниците (фиг. 5).
Фиг. 5
При повече от 75% от разядите на мълнии се появяват повторни попадения, които следват първичния разряд в период от 30 до 200 ms. Средният брой е 3, като са измервани и до 20 броя. Фронтът на тока на мълнията може да достигне до 10 кА/μs за първичен удар и дори по-високи стойности за повторни удари. Скоростта на нарастване на напрежението достига до 12000 V/μs, повече от достатъчно да повреди и най-устойчивите електрически вериги.
Основавайки се на десетилетия изследвания, записи и измервания на мълнии и пренапрежения, стандартите въвеждат следните две форми на вълни, за да симулира ефекта от пряко попадение на мълния и ефекта на индиректно попадение или комутационно пренапрежение.
– продължителна вълна (10/350 μs), която симулира пряко попадение на мълния и свързаната с него голяма енергия. За източник на ток от мълнии може да се смята генератор, който генерира токови вълни 10/350.
– краткотрайна вълна (8/20 μs), която представя непряко попадение, комутационно пренапрежение или паразитни интерференции.
Ето защо се използват главно два типа катодни отводители:
– тип 1 – катоден отводител, предназначен да отвежда енергията, породена от пренапрежение, сравнимо по мощност от пряко попадение от мълния. Защитното устройство е преминало успешен тест според стадартите с вълна 10/350
– тип 2 – катоден отводител, предназначен да отвежда енергията от пренапрежение, сравнимо по мощност с това от непряко попадение или комутационно пренапрежение. Защитното устройство е преминало успешен тест според стандартите с вълна 8/20
Катодния отводител съдържа поне едни нелинеен елемент (варистор или искрова междина) и притежава следните функции:
- По време на нормална работа (отсъствие на пренапрежения), катодният отводител не трябва да влияе на системата, към която е инсталиран. Той действа като отворена верига и поддържа изолацията между фаза и земя.
- Когато възникне пренапрежение, катодният отводител намалява импеданса си за няколко наносекунди и отвежда импулса. Той действа като затворена верига, импулсът е отведен. Пренапрежението е ограничено до допустима стойност за последващото електрическо оборудване.
- След отвеждането на импулса, катодният отводител възстановява своя висок импеданс и се държи като отворена верига.
Начин на действие на арестор с искрова междина е показан на фиг. 6
Фиг. 6
За въпроси, забележки и запитвания, използвайте формата за връзка по-долу.
Не забравяйте да харесвате и споделяте!
Дата: 18.11.2017г.
Автор: инж. Димитър Цеков
Източник: Дипломна работа на тема “Проектиране на стационарна и следяща фотоволтаични централи в определен терен и сравняването им по технически и икономически показатели”
