АТМОСФЕРНЫЕ И КОММУТАЦИОННЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ
1. Атмосферные перенапряжения
Основным источником перенапряжений являются грозовые разряды. При прямых и косвенных разрядах молний в воздушных линиях сигнализации и связи и рельсовой колее железной дороги возникают атмосферные перенапряжения (АП). Они распространяются вдоль линии и рельсов в обе стороны от места разряда в виде волн (импульсов). Обычно их называют продольными перенапряжениями (провод—земля) в отличие от поперечных перенапряжений, возникающих между проводами (провод—провод).
При прямом ударе молнии в указанных линейных сооружениях возникает волна атмосферного перенапряжения с фронтом τф=1,5 мкс и длительностью τв=40 мкс (1,5/мкс). В случае разрядов молнии вблизи линий и рельсов возникает волна индуцированного перенапряжения с τф=10—20 мкс и τв=200—700 мкс.
Амплитуда волны атмосферного перенапряжения зависит от тока молнии, значения которого изменяются в широких пределах и определяются по кривым вероятности появления токов молнии (рис. 1).
Так, например, при токе молнии 20 кА, вероятность которого составляет 60% всего числа прямых ударов молнии, амплитуда волны атмосферного перенапряжения в проводе ЛСС с волновым сопротивлением 400 Ом может достигать 4000 кВ. Практически амплитуда АП ограничивается изоляцией провода от земли и на ЛСС с деревянными опорами не превышает 1000 кВ. В зависимости от расстояния от места раз ряда молнии до ЛСС амплитуда волны индуцированного напряжения колеблется от десятков до сотен тысяч вольт.
Рис. 1. Кривая вероятности появления токов молнии на равнинных (кривая 1 ) и горных (кривая 2) участках дорог
Следует заметить, что опасность атмосферных перенапряжений для ПП, включаемых в ЛСС, характеризуется не только амплитудой, но и частотой воздействия, которая зависит от длины ЛСС, высоты подвеса проводов и интенсивности, грозовой деятельности на данном
участке железной дороги. Так, на участках дорог, где наблюдается 20 грозовых дней в году (или 35 грозовых часов), ЛСС протяженностью 100 км подвергается прямым ударам молнии примерно 6—8 раз в году. В то же время на этих участках число индуцированных перенапряжений с амплитудой 10 кВ может быть 120 в год. Максимальный ток, обусловленный индуцированными перенапряжениями, достигает 3 кА.
Для ПП большое значение имеет длительность воздействующей волны: чем она больше, тем сильнее разогреваются р-п переходы диодов и транзисторов и раньше наступает тепловое разрушение кристаллов, образующих р-п переход. По этим причинам индуцированные перенапряжения, возникающие при разрядах молнии вблизи ЛСС, более опасны для ПП, чем перенапряжения при прямом ударе молнии.
В случае прямого удара молнии в рельс максимальное значение атмосферных перенапряжений определяется, главным образом, амплитудой тока молнии и сопротивлением растекания рельс—земля. Исследованиями, проведенными ВНИИЖТом, установлено, что сопротивление растекания рельса является резко убывающей функцией времени (рис. 2) и распространение волны АП по рельсу происходит с большим затуханием (рис. 3) [3]. На рис. 3 U0 — напряжение в точке подачи импульса, U1 — напряжение на расстоянии I от точки подачи импульса.
Индуцированные перенапряжения в рельсовой цепи (РЦ) обычно не превышают, 5 кВ. Как правило, воздушные ЛСС и РЦ защищены от прямого удара молнии не на всем их протяжении, а только в местах включения установок СЦБ и связи в ЛСС и РЦ, а также на подходах ЛСС к оконечным и промежуточным пунктам. Эту грозозащиту выполняют в соответствии с документом [2] и ГОСТ 5238—81 [4]. Она сохраняется в качестве первого (основного) каскада защиты ПП для ограничения атмосферных перенапряжений до нескольких сотен вольт, что необходимо учитывать при осуществлении защиты разрабатываемых ПП.
Рис. 2. Зависимость сопротивления заземления рельса при импульсных токах от времени
Ряс. 3. Распределение потенциала амплитуды перенапряжений вдоль рельса от места прямого удара молнии