§ 29. Воздействие молнии на устройства автоматики, телемеханики и связи. Приборы защиты
При прямом ударе молнии в провода и опоры воздушных линий или при грозовом разряде вблизи воздушной линии, называемом косвенным разрядом, в проводах возникают атмосферные перенапряжения. Эти перенапряжения достигают нескольких миллионов вольт и представляют опасность для лиц, обслуживающих аппаратуру, включенную в провода, или пользующихся этой аппаратурой; может также возникнуть пробой изоляции, повреждение или даже разрушение аппаратуры.
Перенапряжения, возникающие в проводах при грозовых разрядах вблизи воздушной линии, называют индуцированными, а при прямом ударе молнии в провода — перенапряжениями прямого удара молнии. Если в провода воздушных линий включены кабельные вставки, то при возникновении в проводах атмосферных перенапряжений может произойти пробой изоляции кабеля. Повреждениям от атмосферных перенапряжений подвержены и подземные кабельные линии.
При ударе молнии в деревянную опору ток, достигающий 50 кА и более, проходит в землю через эту опору. Вследствие этого влага, находящаяся в древесине, мгновенно превращается в пар и возникающее при этом большое давление внутри опоры расщепляет ее. Иногда при ударе молнии опора воспламеняется. Деревянные опоры воздушных линий защищают от разрушения при прямом попадании молнии молниеотводами, называемыми линейными.
При прямом ударе молнии в опору, защищенную линейным молниеотводом, разрядный ток уходит в землю не через опору, а по проволоке молниеотвода, имеющей меньшее сопротивление, и опора в этом случае не разрушается.
Молниеотводы рекомендуется устанавливать только на наиболее ответственных опорах (угловых, контрольных, оконечных, разрезных, кабельных и др.). Кроме того, молниеотводы предусматривают на всех опорах линии связи, поврежденных молнией, но не требующих замены, или на новых опорах, используемых взамен поврежденных. Железобетонные опоры оборудуют молниеотводами (заземляющими спусками) только в том случае, когда на них имеются разрядники.
На высоковольтно-сигнальных линиях автоблокировки для защиты опор молниеотводы не устанавливают, так как защитой опор от повреждений при ударах молнии является высоковольтный провод на верхушечном штыре.
Попадание токов молнии в кабели, проложенные в земле, приводит к образованию на металлической оболочке в месте удара вмятин и даже к расплавлению металлической оболочки и разрыву ленточной брони. Наблюдается также пробой изоляции между жилами и металлической оболочкой.
Молния поражает кабель значительно реже, чем воздушные линии, и в ряде случаев при строительстве кабельных линий и сетей защита их от атмосферных перенапряжений не предусматривается. Так, например, нет необходимости в защите кабеля от грозы на территории железнодорожных станций и населенных пунктов, если кабель проложен вдоль полотна железной дороги не далее чем 10 м от крайнего рельса.
Обычно защиту кабеля от ударов молнии осуществляют при его прокладке на гористых участках трассы в скалистых грунтах с низкой проводимостью земли и при прокладке кабеля в районах с интенсивными и частыми грозами. В качестве защитного мероприятия наиболее часто применяют прокладку в траншее над кабелем одного или двух защитных биметаллических проводов диаметром 4 мм или стальной оцинкованной проволоки диаметром 9,6 мм.
Приборы защиты. Для защиты устройств автоматики, телемеханики и связи применяют разрядники, выравниватели и плавкие предохранители.
Разрядники служат для защиты от перенапряжений: аппаратуры автоматики, телемеханики и связи, включенной в провода; лиц, обслуживающих эту аппаратуру и пользующихся ею; кабельных вставок, включенных в воздушную линию.
Разрядник, включенный между проводом и защитным заземлением, снижает напряжение, возникающее в проводе при грозовом разряде, до значения, которое является безопасным для изоляции аппаратуры.
Обязательным элементом каждого разрядника является один или несколько воздушных промежутков. Наиболее простой разрядник состоит из двух электродов, разделенных воздушным промежутком. Один электрод подключается к проводу, а другой — к заземлению. Защитное действие разрядника основано на том, что волна перенапряжения, распространяющаяся вдоль провода, вызывает пробой воздушного промежутка, и токи грозового разряда стекают с провода в землю.
Напряжение, при котором происходит пробой воздушного промежутка, называют разрядным (пробивным) напряжением. Разрядное напряжение должно быть на 30—50% меньше напряжения электрической прочности защищаемого оборудования. Так как изоляция устройств автоматики, телемеханики и связи имеет различную электрическую прочность, для их защиты следует применять разрядники с соответствующими разрядными напряжениями.
При стекании тока в землю падение напряжения на сопротивлении заземления может быть очень большим. Под этим напряжением окажется провод, к которому подключены разрядник и защищаемое устройство. Поэтому корпуса защищаемых устройств или металлические сооружения, где они размещаются (релейные шкафы, шкафы типа ШМС, мачты светофоров и т. д.), присоединяют к тому же заземлению, к которому подключены и разрядники. Такое соединение позволяет получить на защищаемом устройстве разность потенциалов, не превышающую электрическую прочность их изоляции
При кабельных вводах с кабелями, имеющими металлические защитные оболочки, последние присоединяют к заземлению разрядников, вследствие чего напряжение между жилами и оболочкой будет обусловлено в основном падением напряжения на разряднике. Кроме того, оболочки оказывают экранирующее действие, что значительно повышает эффективность защиты и тем больше, чем длиннее кабель.
При коротких кабелях разрядники устанавливают с обоих концов кабеля.
Применяют угольные, газонаполненные, вентильные и искровые разрядники. Угольные разрядники типа УР-500 используют в цепях местной телефонной связи. Они состоят из двух угольных колодок, являющихся электродами, между которыми проложена изолирующая прокладка из слюды или другого диэлектрика, с вырезом, образующим воздушный промежуток. Разрядное напряжение этих разрядников (500 ± 100) В (амплитудных).
Газонаполненные двухэлектродные разрядники типа Р-350 применяют в цепях многоканальной и отделенческой связи, а также в цепях автоматики и телемеханики
Рис. 118. Разрядник типа Р-350
Разрядник типа Р-350 (рис. 118, а) состоит из стеклянного баллона 1. Внутри баллона имеются два никелевых или стальных электрода 2 и 4, оканчивающихся полусферическими чашечками, расположенными на расстоянии 1,6-2 мм одна от другой. В чашечки помещены таблетки окиси бария, которые увеличивают мощность разрядника и активизируют воздушный зазор между электродами. Для того чтобы сохранить зазор между электродами постоянным, их скрепляют между собой изоляционными пластинами 3. Стеклянный баллон заполнен аргоном и запаян. На баллоне с обеих сторон установлены латунные колпачки с ножевыми контактами 5 Каждый из колпачков электрически соединен с прилегающим к нему электродом. Разрядник ножевыми контактами вставляют в контактные пружины 9 и 10, находящиеся на фарфоровой колодке 7 держателя (рис, 118, б), которая укреплена на металлическом основании 6 Основание электрически соединено винтом с зажимом 8. При установке разрядника к основанию присоединяют провод от заземлителя, а к винту ножевого контакта 5 — линейный провод Разрядное напряжение разрядника тина Р-350 при переменном токе (350±40) В (амплитудных). Он выдерживает в течение 2 с. не разрушаясь, постоянный ток 3 А и импульсное напряжение пробоя 500 700 В
Газонаполненные трех электродные разрядники типа Р-35 по конструкции сходны с разрядниками типа Р-350 и имеют такое же разрядное и импульсное напряжение. В стеклянном баллоне этих разрядников расположены три электрода: два для подключения проводов двухпроводной цепи, а третий — для подключения заземления. Разрядники типа Р-35 имеют большую пропускную способность по току, чем разрядники типа Р-350, и при одинаковых условиях работы больший срок службы.
Газонаполненный двухэлектродный разрядник типа Р-4 с разрядным напряжением 70—80 В и импульсным напряжением пробоя 110—120 В состоит из стеклянного газонаполненного баллона с припаянными двумя электродами. Разрядники типа Р-4 служат для защиты полупроводниковых приборов.
Разрядники типов Р-350 и Р-35 можно применять в тех случаях, когда напряжение проводов относительно земли, рабочее или возникшее в результате индуктивного или гальванического влияния, не более 40 В. При большем напряжении не обеспечивается гашение дуги между электродами разрядников, и провод оказывается заземленным. Поддержание горения дуги напряжением меньшим, чем разрядное напряжение разрядника, называют явлением сопровождающего тока. Очевидно, это явление будет наблюдаться и в силовых цепях, поскольку линейное напряжение поддержит горение разрядников и цепь окажется замкнутой накоротко через разрядники. В таких случаях применяют вентильные разрядники типов PRH-250, РВНШ-250, РВНН-250 в низковольтных цепях напряжением 110 220 В; PBH-5U0— в цепях напряжением 220 380 В и РВП-10 — в высоковольтных цепях напряжением 10 кВ.
Основными элементами вентильных разрядников являются искровой промежуток или несколько искровых промежутков и резистор рабочее сопротивление. Резистор уменьшает ток дуги, поддерживаемый сопровождающим током, и таким образом разрывает ее. Поэтому основным свойством такого резистора должна быть способность быстро увеличивать сопротивление при малых напряжениях и резко снижать — при высоких. Изготавливают его в виде дисков из полупроводникового керамического материала марки ЦТ (двуокись цинка и титана) или вилита (смесь карборунда, жидкого стекла и мела) Разрядник типа РВН-250 имеет один искровой промежуток и один вилитовый диск, которые замонтированы в пластмассовый корпус. Корпус крепят винтами к колодке 2 с контактами (рис. 119, а), куда подключают провод и заземление. Разрядники типов РВНШ-250 и РВНН-250 имеют также пластмассовый корпус, по одному искровому промежутку и одному диску из полупроводникового керамического материала марки ЦТ Корпус разрядника типа РВНШ-250 соединяют с колодкой штепселями, а корпус разрядника типа РВНН-250 ножевыми контактами. Пробивное действующее напряжение этих разрядников при частоте 50 Гц 0,7 0,9 кВ.
Рис. 119. Разрядники типов РВН-250 (а), РВНШ-250 (б) и РВН-500 (в)
Разрядник типа РВНШ-250 (рис. 119, б) состоит из пластмассового основания 1, в котором запрессованы два электрода 2. Между электродами размещены нелинейное сопротивление в виде диска 3 из двуокиси цинка и титана, латунный диск 4 и фигурный электрод 6, которые образуют искровой промежуток, и разделяющая их изолирующая шайба 5. Элементы разрядника скреплены винтом 7, изолированным пластмассовой втулкой 8. Зазор искрового промежутка можно регулировать гайкой 9. Разрядник закрывают крышкой из пластмассы, скрепляемой с его основанием винтами. Для герметичности между крышкой и основанием проложена резиновая прокладка W. Электроды разрядника соединяют с зажимами стандартной колодки двумя штепселями 11 бананового типа.
Пробивное действующее допустимое напряжение разрядника типа РВНШ-250 (800± 100) В при частоте 50 Гц. Он способен выдерживать в течение 40 с. не разрушаясь, переменный ток не менее 2 А, частотой 50 Гц.
Разрядники РВНШ-250 и РВНН-250 предназначены для работы в цепях с рабочим напряжением до 250 В. В цепях с рабочим напряжением 380 220 В используют вентильные разрядники РВН-500 (рис 119, в) с пробивным напряжением 2500-3000 В, предназначенные для работы в цепях с рабочим напряжением до 500 Β.
Разрядники типа РВНН отличаются от разрядников типа РВНШ тем, что вместо штепсельных они имеют ножевые контакты. Их можно устанавливать на стандартную колодку (см. рис. 118, о) взамен разрядников типа Р-350.
Искровые (защитные) разрядники типов ИР-0,2 и ИР-0.3 устанавливают на вводах цепей воздушных линий в здания станций, усилительных пунктов, промежуточных пунктов избирательной связи в т. ч. , а также на кабельных вставках в воздушные линии. Одним из электродов такого разрядника (рис. 120) служит стальная пластина 1, а другим — стальной винт 2, установленный в другой пластине. Обе пластины закреплены на стандартном держателе 3 разрядника типа Р-350. Вращая винт, можно установить необходимый воздушный зазор между его острием и пластиной 1. У разрядников типов ИР-0,2 и ИР-0,3 этот зазор соответственно равен 0,2 и 0,3 мм. Пробивное действующее напряжение разрядников 1,1—3,2 кВ. Разрядники устанавливают в кабельных ящиках, шкафах, на вводных стойках, а при установке на опорах воздушных линий — в специально предназначенных для этого коробках.
Искровые разрядники типов ИР-7, ИР-10, ИР-15 и ИР-20 предназначены для каскадной защиты устройств связи, и устанавливают их на опорах воздушных линий при вводе цепей этих линий в здания оконечных, усилительных и промежуточных пунктов. Их применяют и для защиты сигнальных цепей автоблокировки в районах с интенсивной грозовой деятельностью.
Цифры в обозначении разрядников означают расстояние между электродами в миллиметрах. В зависимости от этого расстояния пробивное напряжение искровых разрядников равно от 35 до 75 кВ.
Искровые разрядники крепят на крюках (рис. 121, а) или на траверсах (рис. 121, б), где вторым электродом служит штырь, соединенный проводом с молниеотводом.
Мощные газонаполненные разрядники типов РБ-280 и РБ-350 используют для защиты от кратковременных опасных напряжений, вызванных индуктивным влиянием высоковольтных линий и контактных сетей переменного тока. Их устанавливают в местах, определяемых расчетом. Если же место их размещения совпадает с местом установки разрядников для защиты от грозовых разрядов, то последние не ставятся. Их функции будут выполнять разрядники типа РБ.
Рис. 120. Искровые разрядники типов ИР-0,2 и ИР-0,3
Рис. 121. Крепление искрового разрядника
Рис. 122. Выравниватели:
а- селеновый типа ВС-90; б- керамический типа ВК 220
Нелинейные выравниватели устанавливают вместо вентильных разрядников типа РВН-250 или РВНШ-250. Нелинейные выравниватели типов ВК-220, В К-10 и ВС-90 (цифры указывают на номинальное напряжение) применяют для защиты рельсовых цепей от опасного влияния, возникающего в результате косвенного воздействия грозовых разрядов, асимметрии рельсовых цепей, прямых ударов молнии в рельсы на электрифицированных участках; через них часто заземляют устройства на рельсы. Их изготавливают в виде дисков из полупроводникового керамического материала марки ЦТ (ВК-220, ВК-10) или из селена (ВС-90), смонтированных на стандартных колодках таких же, как и у разрядников типа РВН-250. При малых напряжениях выравниватели имеют большое сопротивление, а при больших — малое. Их включают параллельно защитному устройству.
Селеновый выравниватель типа ВС-90 (рис. 122, а) имеет селеновые элементы 1, состоящие из алюминиевых пластин прямоугольной формы размером 40 X 40 мм и толщиной 0,8 мм. На одну из поверхностей пластин нанесен полупроводниковый слой на основе селена. Элементы собраны на стяжной шпильке 2 с изоляционной втулкой 3 в два пакета, каждый состоящий из пяти пластин. Для охлаждения пластин между ними проложены дистанционные шайбы 4 с контактными пружинами звездообразной формы. С помощью двух выводных электродов 5 выравниватель укрепляют на стандартном двухштырном зажиме 6.
Керамические выравниватели типа ВК-220 (рис. 122. б) но конструкции не отличаются от выравнивателей типа В К -10. Выравниватели имеют диск диаметром 50 мм и толщиной 5 мм, изготовленный из полупроводникового керамического материала марки ЦО Диск выравнивателя типа ВК-220 обладает более высоким сопротивлением по сравнению с диском выравнивателя типа ВК-10.
Диск 3 установлен между коленчатыми электродами 1,5 и закреплен стяжным винтом 2, который изолирован от диска пластмассовыми втулками 4. Торцовые поверхности диска металлизированы, а боковая поверхность покрыла изолирующим слоем Выравниватель размещают на стандартном двухштырном зажиме 6
Селеновые и керамические выравниватели устойчиво работают при температуре окружающего воздуха от 40 до 60 С.
Плавкие предохранители включают в цепи устройств автоматики, телемеханики и связи. Они состоят из стеклянной трубки с двумя латунными контактами—наконечниками конической или ножевой формы. К наконечникам припаяны две пружинящие спиральки или прямые металлические нити из стальной проволоки диаметром 0,4 мм. В середине трубочки обе нити спаяны друг с другом припоем с температурой плавления около 100 С. При прохождении через предохранитель тока, значение которого превышает номинальный ток предохранителя, припой расплавляется и пружинящие спиральки силой упругости разрывают цепь.