Безопасность солнечных панелей (СП): заземление, пожароопасность, GFDI, импульсная защита и тп

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Вторая часть.

Вы, в целом, верно описали стадии развития линейной молнии (будем говорить именно о ней, оставил в покое загадочную шаровую). Только немного сбились в чередовании фаз развития молнии. А начинается всё с формирования т. н. грозового облака, которое формируется только в случае, если в нижних слоях атмосферы имеется теплый влажный воздух, а в верхних - холодных и плотный воздух. Нижний край облако располагается как правило на высоте 1-3 км, облако вытянуто по вертикали в среднем на 8-12 км (бывает и до 20). Внутри этого воздуха из-за температурных градиентов и гравитации беспорядочно дует ветер, который постоянно перемешивает содержащиеся в облаке водяной пар, капли воды и кусочки льда. В результате по неизвестным до настоящего времени причинам в облаке начинается разделение зарядов. Как правило, верхняя часть облака заряжается положительно, а нижняя - отрицательно. Т. е. грозовое облако в целом представляет из себя диполь - сверху "+", снизу "-". Условно назовем такое облако отрицательным. Для грозовых облаков, формирующихся над равнинной местностью, вероятность такого разделения зарядов составляет (в среднем) 90% (Вы почти правильно пишите об этом). Чем выше в горы, тем меньше становится отрицательных облаков и всё больше положительных. При высоте местности около 3500 м количество отрицательных и положительных облаков сравнивается (50/50). Реально облако - хаотичная структура и там внутри области отрицательного заряда могут появляться локальные объемы положительного заряда и наоборот. Но в целом всё так как я описАл. Для наших целей этого более чем достаточно.

Нижняя граница облака почти плоская и заряженная область её по площади составляет 2-10 км2. Нижний край облака и поверхность Земли по сути образуют две обкладки конденсатора, емкость которого C = ep0*ep*S/H, где ер0 = 8,85*10^-12 Ф/м - абсолютная диэлектрическая проницаемость, ер = 1 - относительная диэлектрическая проницаемость воздуха, S - площадь заряженной части нижней границы гр. облака, H - высота расположения нижней границы гр. облака. Как в любом конденсаторе, при увеличении заряда Q (будем считать, что он располагается только на верхней обкладке конденсатора) в промежутке между пластинами нарастает напряженность электрического поля - это видно из сл. формулы E = Q/(ep0*ep*S) (больше заряд -> больше напряженность, всё просто, кроме того, что непонятно - почему этот заряд увеличивается, ну эта загадка физики для наших практических целей не актуальна). Важно: приведенные формулы описывают электрические характеристики идеального плоского конденсатора, в нашем случае (грозовое облако - поверхность Земли) электрическое поле между условными обкладками не будет однородным. По понятным причинам напряженность вблизи облака будет выше, чем у поверхности землю и при каком-то заряде на облаке (точнее - при какой-то локальной плотности заряда вблизи нижней границы облака) напряженность эл. поля достигнет критической величины, при которой становится возможным явление самостоятельного электрического разряда (10 кВ/см и выше). Далее почти так, как Вы написали: сначала лавины электронов, затем стримеры, затем формирования ступенчатого лидера, к головки которого снова развиваются лавины-стримеры-лидер (очередная ступень). И так до момента когда головка лидера не коснется какого-либо проводящего объекта на поверхности Земли. Скорость развития продвижения молнии (головки лидера) относительно не высока и составляет порядка 2 см/мкс. Развитие лидера и молнии вообще видно из рисунков (на первом рис. катод - это облако). Будим для простоты рассматривать т. н ПУМ (прямой удар молнии) в провод воздушной линии электропередачи (ВЛ).

Воздушная линия возвышается над условно плоской поверхностью Земли и развивающаяся молния будет ориентироваться именно на ВЛ. Обычно молния начинает ориентироваться на какой-либо объект где-то с высоты 100-300 м (я говорю именно о ВЛ, а не супервысотных объектах типа Останкинский телебашни). Привожу ещё два рис: первый об ориентации молнии на ВЛ, второй о стадиях удара молнии в ВЛ (по рис. - в опору, но то же самое будет при ударе молнии в фазу ВЛ). Молния сильно искажает эл. поле между своей головкой и опорой ВЛ (или проводом), причем в данном случае напряженность локально будет выше именно вблизи ВЛ и из-за этого с опоры или провода вверх, навстречу молнии начнет развиваться встречный разряд (иногда пишут о встречном стримере, иногда - о встречном лидере, это не суть важно). Важно то, что лидер молнии, развивающийся от облака и встречный разряд от ВЛ встречаются и таким образом образуется проводящий канал "облако-фаза ВЛ" и по нему НАЧИНАЕТ протекать интересующий нас ТОК молнии, который очень грубо можно рассматривать как ток разряда того самого конденсатора, о котором я выше писАл.

Конец второй части.

 

Это вообще не было моей целью Я на этом вообще внимания не акцентировал. Зачем в данном контексте моего вопроса было расписывать разные атмосферные процессы? Их как минимум несколько, насколько я помню. Да и видов разрядов куча.
Всего лишь упомянул, причем на самом деле в хаотичном порядке, чтобы мы на этом не останавливались, а сразу переходили к разбору разряда
Тем более, то, что вы описали про кусочки льда и т. п. - это, если я не ошибаюсь, всего лишь пока гипотеза. Хотя и получившая немало подтверждений. Никому эти процессы образования зарядов достоверно не известны пока. Лишь одна из теорий.

 

@АлександрСПб59,

Спасибо большое, но пока нового ничего.

С=ee0S/d это не фишка. Потому как эта формула выводится из предположения об однородности заряда и взаимокомпенсации разнонаправленных векторов напряженности поля вне пластин. Интегралом от 0 до d Eqdx С облаками и Землей этого не происходит

Все остальное: ну простите. Картинки вы отсюда взяли:
https://forca.ru/knigi/oborudovanie/zaschita-elektrostanciy-i-podstanciy-3-500-kv-ot-pryamyh-udarov-molnii-2.html

Так я этот источник лет эдак очень много знаю

А расписывать процессы ветра льдин в облаках, которые на суть вопроса никак не влияли - зачем это было? Я кратко сформулировал вводную и суть. Вопрос утонул бы в облаках

 

Если позволите, я доведу описание до конца, а затем если Вам интересно я отвечу на ВСЕ вопросы. Откуда берется и развивается молния - весьма важно. По поводу кусочков льда и т. д. сейчас (даже уже не сейчас, а к 80-м годам прошлого века) было уже известно вполне достоверно. Если интересно советую почитать книгу Юман М. Молния — М.: Мир, 1972, или множество книг отечественных авторов, например, Э. М. Базеляна (вот одна из них - Базелян Э. М., Райзер Ю. П. Искровой разряд. М.: МФТИ, 1997, 320 с). Именно своеобразие развития молнии определяет величины и форму тех токов, о которых Вы писАли, что они первичны. Очень важно - откуда берется заряд облака и как он "добегает" до наших розеток (или до ГРЩ).

Так что описания воздействия молнии на эл. сети и на потребителей продолжу в третьей части своего опуса

 

С нетерпением жду Честно-честно. Очень люблю все новое узнавать.

 

Картинки беру из разных мест, сам, как Вы понимаете, их не рисую - не монографию пишу. Для меня важна не старость/молодость картинок, а их содержание в плане пояснения моего повествования.

 

Ключевое слово "вполне". Зачем тогда американским ученым в 2008 году понадобилось ставить новые эксперименты, чтобы подтверждать эту теорию?
С воззрениями Базеляна я знаком

 

Третья часть (немного определений и кое-что об условностях).

Перед тем, как излагать далее физику процессов взаимодействия молнии с электрическими сетями, хотелось бы вспомнить некоторые важные для дальнейшего изложения определения. Я уверен, что участники данного топика их прекрасно знают, но они действительно важны. Я не буду приводить классические или принятые в настоящее время варианты определений. Приведенные определения служат для пояснения того, что я собираюсь рассказать.

1. Электрическое напряжение (или просто – напряжение) – разность потенциалов между любыми двумя точками пространства, в котором существует электрическое поле.

2. Потенциал (иногда говорят «величина/значение потенциала») – энергетическая характеристика электрического поля для определенной точки пространства, в котором существует электрическое поле. Физического смысла абстрактная величина потенциала в какой-либо точке значения не имеет, НО крайне важна разность потенциалов между двумя точками, т. е. физический смысл имеет только напряжение (см. выше). Тем не менее, термин потенциал и его значения очень часто используется в электротехнике. Это связано с тем, что потенциал – величина относительная. В прикладной электротехнике принято, что величина потенциала поверхности Земли равна нулю и относительно этого потенциала рассчитываются потенциалы любой точки пространства не слишком удаленной от Земли. Поэтому, когда в электротехнической литературе пишут, что потенциал какого-то тела или отдельной точки на каком-то теле равен, допустим 1 кВ, то на самом деле подразумевается разность потенциалов между поверхностью Земли и рассматриваемого тела/точки, т. е. по сути напряжение. Принятие потенциала Земли равным нулю – это просто допущение (другим допущением является предположение, что потенциал на бесконечном удалении от рассматриваемой точки также равен нулю). В реальности разные точки поверхности Земли имеют разный потенциал, что связано, в частности, с естественным электрическим полем Земли (для справки – напряженность естественного электрического поля в ясную погоду (без грозовых явлений) вблизи поверхности земли на равнинах на уровне моря составляет около 130-150 В/м; она быстро уменьшается с увеличением высоты, над поверхностью океана ~110 В/м). Кроме того, поверхность земли неоднородна, разные почвы/породы имеют разную проводимость. Также эквипотенциальность поверхности Земли нарушается в точках попадания в неё молний или, что то же самое, в точках стекания тока молнии. Здесь, как и в общем случае, эквипотенциальность тел нарушается при протекании в них электрического тока.

3. Электрический ток (или просто «ток») – направленное движение заряженных частиц. На практике под заряженными частицами подразумевается электроны (отрицательно заряженная частица), положительные и отрицательные ионы. Причем в подавляющем большинстве случаев электрический ток создается именно электронами. Это связано, в частности, с тем, что подвижность электронов в 1000 и более раз выше подвижности ионов. Это, кстати, очень важно для быстропротекающих процессов, типа искрового разряда. Для цепей переменного тока направление тока (по очевидным причинам) условно и принимается так, как удобно в каждом конкретном случае. В цепях постоянного тока в качестве положительного принято направление тока «от плюса к минусу» или, иначе говоря – от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом. Это просто такая условность, причем не очень естественная, т. к. электроны (по сути, единственные частицы, создающие электрический ток в металлах) движутся как раз в обратном направлении («от минуса к плюсу»). Электрический ток в электролите (например, в аккумуляторах) создается в основном ионами, но это другая тема.

В дальнейшем рассказе я постараюсь избегать «рисовать» какие-либо формулы и ни в коем случае не буду приводить формулы в дифференциальной или интегральной форме. Здесь я пытаюсь объяснить физику происходящих явлений и если и привожу формулы, то только для пояснения взаимосвязи различных электромагнитных явлений. Все, кто хочет выполнять серьезные расчеты, могут найти все необходимые формулы в любых серьезных книгах по ТОЭ и/или по ТВН. И вот сейчас как раз пришло время привести немного общих формул, касающихся расчета тех характеристик, определения которых я привёл выше.

Как я написАл выше, потенциал – энергетическая характеристика электрического поля. Её обычно физический смысл поясняют классической формулой: Fi = Wп/q (потенциал равен потенциальной энергии Wп заряда q, помещенного в рассматриваемую точку электрического поля деленной на величину заряда q). Формула красивая, но, как правило, трудно применимая на практике. Гораздо проще потенциал рассчитывать исходя из того, что электрическое поле не возникает из ниоткуда, а создается вполне конкретными зарядами. Если известен заряд/заряды, создающие электрическое поле, то потенциал рассчитать просто. Т. е. первичны для расчета потенциала именно заряды. Не буду приводить всем известные формулы для вычисления потенциала поля точечного заряда или линейного заряда.

Электрический ток также рассчитывается через величину заряда: I= q/t (ток равен количеству заряда, прошедшего при своем направленном движении через поперечное сечение проводника за единицу времени). Т. е. для тока также важен именно заряд, а не что-то другое (напряжение, например).

Эти формулы я привел только для одного: показать, что всегда в электромагнитных процессах первоосновой является не ток и не напряжение, а заряд – его величина и его движение. Зная эти параметры заряда всегда можно определить величины тока и напряжения. Другой вопрос – трудности с измерением заряда (ток и напряжение измерять на практике проще). Поэтому во всех нормативно-технических документах (НТД) говорится о токе или напряжении, которые поочередно выдвигаются на первый план (в зависимости от того, что в каждом конкретном случае важно – об этом позднее я остановлюсь подробнее).

Конец третьей части.

 

По той же причине, по которой до сих пор пишут монографии на тему молний. Если с работами Базеляна и др. специалистов ЭНИН Вы знакомы, то ознакомьтесь с несколько другой точкой зрения, изложенной, например в сл. работах:
Александров Г. Н. Молния и молниезащита. - М.: Наука, 2008.
Farouk A. M. Rizk, Giao N. Trinh. High Votage Engineering. - NY: CTC press, 2014.

Нет предела в познании мира, всегда есть, что уточнять.

 

Часть четвертая.

Во второй части я остановился на том, что ступенчатый канал лидера молнии (точнее стримерная зона головки лидера) достигла провода или соприкоснулась со встречным разрядом и начинается условно вторая стадия развития молнии, которую можно интерпретировать как разряд конденсатора. Эта стадия в разной литературе называется по-разному: стадия нейтрализации, главный разряд, обратный разряд и т. д. Собственно это не важно, пусть будет стадия нейтрализации (это ближе всего к сути происходящих физических процессов). В этой стадии происходит нейтрализация большинства отрицательных зарядов, скопившихся в промежутке между облаком и землей, частичная нейтрализация отрицательных зарядов, скопившихся в нижней части грозовой тучи.

Чтобы понять форму импульса тока молнии (первого из возможно нескольких импульсов) следует остановиться на отрицательном заряде, который скапливается в промежутке между тучей и землей при развитии ступенчатого лидера. В процессе развития этого лидера его канал представляет собой ломаной формы цилиндр (см.рис.4-1) с диаметром 2-6 см (в среднем). Канал заполнен плазмой с температурой 4000-6000 К. Эта температура позволяет поддерживать условия для термической ионизации газов, составляющих воздух, но, по сути, это практически нижняя граница температуры термической ионизации. Заряд плазмы в целом отрицательный и его составляют в основном свободные электроны. Эти электроны и создают основную часть тока, протекающего по каналу лидера. Лидер движется скачками по 1—100 м, с остановками на 30-100 мкс. От головки лидера в моменты его остановок развиваются отрицательные стримеры длиной до 50 м. Эти стримеры внедряют в пространство вокруг лидера большое количество отрицательного объемного заряда, который чехлом диаметром 20-100 м окружает лидер (рис.4-2). Этот объемный заряд составляют отрицательные ионы и его суммарная величина многократно превосходит отрицательный заряд в канале лидера. Пока лидер продвигается к земле ток в канале лидера не велик и составляет 100-500 А вблизи облака и убывает к головке лидера. Из-за низкой температуры в канале при своем движении лидер светится очень слабо (днем его практически не видно). Звук при этом он издает слабый, напоминающий легкое потрескивание.

Все резко меняется при достижении лидером провода. Отрицательный потенциал нижней части грозовой тучи (той точки, откуда начал движение лидер) обычно составляет не менее 10 МВ, в среднем около 50 МВ, а максимальное его значение может достигать 1000 МВ. Ну, а всё, что находится на Земле имеет потенциал много меньше. Из-за возникшей разницы потенциалов все свободные отрицательные заряды (электроны) в канале лидера устремляются к проводу. Электроны из канала «убегают» и в канале остаются в большом количестве остаются положительные ионы и канал в целом приобретает положительный заряд. По этой причине с положительно заряженного канала начинает развиваться положительная стримерная корона, которая «вытягивает» отрицательный заряд из чехла объемного заряда вокруг лидера (отрицательные ионы отдают электроны, превращаясь в нейтральные атомы, а электроны поступают в канал лидера и тоже устремляются к проводу). Отрицательный объемный заряд в целом нейтрализуется, но не полностью. Ток же в лидере сначала медленно, а затем все более быстро нарастает. Все это происходит в течение 5-20 мкс. Как понятно из изложенного его максимальная величина достигается в точке касания лидером провода.

Нейтрализация происходит в виде волны, бегущей от земли в сторону облака. На рис. 4-3 стилизованно показаны все стадии развития молнии и упрощенно – формирование тока молнии в точке её касания земли (или провода – неважно). Реальные осциллограммы импульсов тока молнии я приводил ранее. На рис. 4-4 стадия нейтрализации показана более подробно.

Внутри облака также происходит нейтрализация отрицательных зарядов (там также развиваются стримеры) и облако подпитывает канал молнии электронами, но количество этого заряда подпитки меньше полного заряда лидера и окружающего чехла. Поэтому после того, как заряд в промежутке между облаком и землей нейтрализуется (оттуда «убегут» почти все электроны) ток молнии начинает уменьшаться. Т. е. фронт и пик импульса тока молнии формируется за счет нейтрализации отрицательных зарядов в промежутке между облаком, а спад импульса – в основном формируется подпиткой из тучи. Распределение амплитуд импульсов токов молнии было обобщено Международным советом по большим электрическим системам (CIGRE– в основном европейцы) и Международным институтом инженеров электриков и электроников (IEEE– в основном специалисты США и Канады). Результаты их работы приведены на рис. 4.5. Из этого рисунка хорошо видно, что вероятность появления тока молнии с амплитудой выше 200 кА не превышает 1% (по данным американцев) и 0,2% (по европейским данным). Это означает, что даже при пессимистичном сценарии американцев ток в 200 кА может быть превышен не более, чем в 1 ударе молнии из 100. По оценкам европейцев такое может случиться не более, чем в 1 случае удара молнии из 500. В силу климатической близости мне лично ближе европейские оценки.

По причине резкого возрастания тока в молнии температура в изначальном канале лидера резко (с наносекундным запозданием по отношению к току) возрастает до 20000-30000 К. Диаметр этого канала также резко увеличивается от нескольких сантиметров до нескольких метров. Всплеск температуры дает всем известную вспышку молнии, а рост диаметра канала – сильный звуковой эффект (гром).

Как указывалось выше, по мере затухания нейтрализации ток в канале молнии также затухает. Одновременно уменьшается и температура в канале, но уменьшается она медленнее, чем ток. Из-за этого эффекта остаточная проводимость канала молнии сохраняется ещё некоторое время даже после того, как ток импульса первого удара молнии стал равен практически нулю (ну, или снизился до нескольких сотен ампер). За это время вблизи тучи вновь могут создастся условия для нового развития отрицательного лидера. В этом случае возможно развитие повторного разряда молнии. Развивается он по имеющемуся «горячему следу» от первого разряда молнии и потому развивается гораздо быстрее – в виде так называемого стреловидного лидера. Стреловидный лидер продвигается к земле непрерывно, без остановок. По достижении земли снова наступает стадия нейтрализации и все повторяется вновь, но, как правило, с меньшей интенсивностью (меньше амплитуда тока молнии, меньше длительность импульса, круче фронт импульса, слабее вспышка, слабее гром). Таких повторных разрядов молнии может быть 2-10 с паузами между ними 10-70 мс. Вероятностное распределение количества повторных разрядов отрицательной молнии показано на рис. 4-6. Вот эти удары и слышатся нам как раскаты грома и смотрятся как вспышки молнии.

Последствия всех ударов от молнии подобны, но первый удар – самый сильный. Вот его и рассмотрим в пятой части.

 

@АлександрСПб59, спасибо за интересную лекцию. Хотя по большей части хотелось бы по пунктам услышать что же конкретно "абсолютно неверно" изложил Osolemio когда рассказывал про удары молний в провода. Как мне кажется, Вы слегка погорячились когда делали такое заявление.

 

А-а-а, и никто не поправил, что меньше 1 Вт/кг (это я на ночь глядя ляпнул)
Высокочастотные инверторы тоже могут лишнюю энергию с выхода иногда (при наличии 4х диодов или диодов, встроенных в ключи выходного моста) направлять в накопительный конденсатор (ы) высоковольтной шины постоянного тока (+320...400В). Но и тогда энергоёмость и макс. рабочее напряжение этих "электролитов" ограничивают эту эрзац-защиту от перенапряжений.

Это вы взяли для 28-вольтовых устройств (среднее напряжение спрятано в названии) границы технологических разбросов, зону нечувствительности.
А макс. допустимая постоянная мощность рассеяния холодного корпуса - 7 Вт.

Подобные устройства делает и http://littelfuse.com, которая "собаку съела" на защите от перенапряжений, у них даже в логотипе фирмы - зубастая осциллограмма атмосферного электричества. И десятки др. фирм (Vishay, Bourns, DC components, etc.) - но послабже параметрами.
Моё мнение, как электронщика - длинные линии и трансформаторы защищайте варисторами сколько угодно.
Но нежные "полупроводниковости" внутри потребительской электроники должны защищаться такими же "полупроводниковостями".
В случае бытовых импульсных AC/DC источников питания TVS диод 1.5KE400A после входного диодного моста намного вероятнее защитит сетевой "электролит" (на 350-450В) от вздутия при перенапряжениях в сети. Предохранитель сгорел бы и всё.
Только это решение почти забытого ныне класса качества, когда плавкие предохранители выносились на корпус, в держателях.

 

В идеале должно быть 3 линии обороны - разрядники, варисторы, а последним такое:
Ограничители напряжения симметричные, Россия, Саранск, полупроводниковые.
От производителя тиристоров, именно для их защиты.

Но макс. энергия 10 Дж (и ток 5 мА при напряжении 1600В - т. е. 8 Вт) для такого болтового корпуса мала, возможно технологии позапрошлых поколений.
http://www.155la3.ru/ons261_10.htm - надписи вручную на корпусе означают малые объёмы выпуска.

Узнать их цену, время срабатывания, паразитную ёмкость (возможна ли совместная работа с совр. высоковольтными MOSFET, которые в ВЧ инверторах на 600-800В обычно ставятся) - многоступенчатая головоломка для самых упорных. Может оказаться, что предприятие загружено каким-нибудь гос-электровоз-заказом и меньше чем 10 тыс. 500-вольтовых приборов выпускать не захочет

 

Похоже пятой части разоблачений от АлександрСПб59 не дождаться, увы. Вероятно господин профессор выздоровел и больше не заинтересован в ликбезах

 

Или на междунар. симпозиум уехал. Реально оч. умный человек, но слишком к мегаваттным мощностям привык. Домохозяйства можно и дешевле, чем диз. топливом топить, например кондиционером с выигрышем в эл. мощности до 3-4 раз:
https://victorborisov.livejournal.com/299014.html