ВОЗДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Современные электрические подстанции, а также реконструируемые объекты комплектуются микропроцессорными (МП) защитными устройствами, которые имеют широкие функциональные возможности и ряд других преимуществ перед электромеханическими устройствами. Однако МП устройства обладают одним существенным недостатком – цифровая аппаратура чувствительна к воздействию электромагнитных помех. Наиболее опасными источниками помех являются молниевые разряды, особенно при размещении цифровой аппаратуры в непосредственной близости от элементов системы молниезащиты электрических подстанций (ПС). Поэтому, согласно СТО 56947007-29.240.044-2010 (далее СТО-2010), требуется разработка обоснованных технических решений по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС).

Наиболее эффективным вариантом решения проблемы защиты МП аппаратуры от воздействия импульсных электромагнитных полей  является экранирование. Могут использоваться как специальные экранирующие шкафы, так и экранирование собственно помещений или зданий с МП аппаратурой. Стены здания, стенки шкафов МП аппаратуры несут существенную экранирующую функцию, которая характеризуется коэффициентами экранирования.

Целью работы является анализ действующей методики СТО-2010 расчета импульсных магнитных полей при ударах молний и ее уточнение с использованием численных расчетов.

Численные расчеты выполнены по программе ЗУМ, которая отличается многофункциональностью вычислительного ядра, быстродействием, интеграцией с САПР [1-2]. Достоверность результатов расчета сеточных экранов подтверждается сравнением с экспериментальными и расчетными данными, а также данными в [3].

Инженерный подход к решению задачи заключается в использовании закона полного тока (формула 1).

где r – расстояние до молниеотвода.

Данный способ прост, однако он не позволяет учесть влияние металлоконструкций зданий, которые играют роль электромагнитного экрана. Расчет импульсных магнитных полей с учетом экранирования является сложной задачей, поэтому для инженерных расчетов стандарт СТО-2010 допускает приблизительное решение. Величина магнитного поля, рассчитанная  без учета экрана, делится на некоторый коэффициент экранирования, установленный стандартом для разных типов стен здания. Например, здание с металлическим каркасом на частоте 25 кГц обладает коэффициентом экранирования 10.

Рисунок 1 – Канал молнии с током I = 100 кА и создаваемое этим током магнитное поле H, расчетная точка в центре здания 10x10x10 м на расстоянии 50 м от канала молнии

Но и данный способ не является точным, поскольку не учитывает таких важных параметров, как материал и размер экрана [4]. Только численные расчеты позволяют адекватно рассчитать импульсное магнитное поле с учетом электромагнитного экранирования.

Выполним расчет магнитного поля в центре здания при близком ударе молнии. Модель представлена на рисунке 1. Зададим ток молнии I = 100 кА, расстояние до центра здания r = 50 м. Выполним расчет по закону полного тока:

Закон полного тока не учитывает длину канала молнии, считая ее бесконечно длинной (рисунок 1). Пусть длина канала молнии 50 м. Расчетная точка расположена в центре экрана. Считаем, что молния «бьет» в землю. Воспользуемся законом Био-Савара-Лапласа по формуле 2, чтобы уточнить напряженность поля внутри здания.

где B – магнитная индукция, Тл;

I – сила тока в проводнике, А;

r – расстояние до молниеотвода.

Расчетная точка находится на уровне Z = 5 м от уровня земли. Углы между концами канала молнии и направлениями на расчетную точку составляют α₁ = 48° и α₂ = 84.3°.

Тогда напряженность магнитного поля:

Численный расчет по программе ЗУМ дает значение 122 А/м, что совпадает с расчетом по формуле Био-Савара-Лапласа.

Добавим металлический сеточный экран размерами 10x10x10 м (размер ячейки L = 2 м), моделирующий арматуру стен здания (как на рисунке 1). Выполним численный расчет. Напряженность получилась 55,7 А/м. Коэффициент экранирования такого экрана можно оценить как K = 122/55,7 = 2,2.

Таким образом, рассчитана напряженность магнитного поля, создаваемая током молнии с учетом сеточного электромагнитного экрана. Формула Био-Савара-Лапласа может быть использована для оценочных расчетов с одиночным молниеотводом без учета экранирования. Закон полного тока приводит к наибольшей погрешности, его применение в данных задачах нецелесообразно. Современное программное обеспечение позволяет проводить расчеты, не прибегая к инженерным методикам.