Механизмы индукции — кратко и с формулами
- Основной закон: индуцированная ЭДС в замкнутом контуре описывается законом Фарадея:
$\mathcal{E}=-\frac{d\Phi }{dt}$, где $\Phi =\int \mathbf{B}\cdot d\mathbf{S}$ — магнитный поток через контур.
- Для прямого тока $I(t)$ в близко расположенном проводнике магнитное поле на расстоянии $r$ приближённо равно
$B(r,t)=\frac{{\mu }_{0}I(t)}{2\pi r}$.
Изменение $I(t)$ (быстрый фронт разряда) даёт быстрое изменение $B$ и соответственно большую $\frac{d\Phi }{dt}$ — это и вызывает наведённые напряжения в экране/оплётке кабеля.
- Для коаксиальной структуры взаимная индуктивность на единицу длины между жилой и экраном оценивается как
$L^{\prime }=\frac{{\mu }_0}{2\pi }\ln \frac{r_o}{r_i}$,
и наведённое напряжение на единицу длины при изменении тока $I$ примерно
$e^{\prime }=-L^{\prime }\frac{dI}{dt}$.
- При очень быстрых фронтах (высоких частотах) токи концентрируются по поверхности (эффект скин‑слоя):
$\delta =\sqrt{\frac{2}{\omega \mu \sigma }}$ — глубина проникновения, что заставляет наведённый ток течь по наружной поверхности экрана/оплётки.
Последствия: большие наведённые токи/напряжения приводят к локальному нагреву, электрическим пробоям в изоляции на стыках и терминалах, коррозии экрана и повреждению электроники.
Меры защиты (практические и обоснование)
1. Минимизация площади индукционных контуров
- Притянуть жилу и экран близко друг к другу, сохранять симметрию и минимальный зазор — уменьшает $\ln (r_o/r_i)$ и, следовательно, $L^{\prime }$ и наведённое напряжение.
- Сводится к уменьшению магнитного потока $\Phi$.
2. Низкоомное и частое заземление экрана/оплётки
- Делать экране заземление на регулярных интервалах (в зависимости от проекта, обычно сотни метров) — уменьшает длину замкнутого контура и обеспечивает короткий путь для наведённых токов, снижая локальные напряжения.
- Обеспечивать твёрдую, низкоимпедансную связь экрана с землёй (короткие толстыe шины/проводники).
3. Эквипотенциальное заземление и стыковка оборудования
- Связывать экраны, корпуса и заземляющие электродные системы в одну эквипотенциальную сеть, чтобы избежать больших потенциалов между точками заземления и уменьшить шаговое/кабельное напряжение на терминалах.
4. Серия воспринимающих устройств и разрядников в терминалах
- Установка искровых разрядников, газоразрядных трубок, варисторов/ОПЗ (MOA) между жилой и экраном/землёй на вводах и на критических точках снижает импульсные перенапряжения на изоляции.
- Эти устройства шунтируют короткие высоковольтные импульсы в землю, не пропуская их через чувствительные элементы.
5. Сегментация экрана и кросс‑бондинг
- Разбиение экрана на секции с резистивными/индуктивными связями (или кросс‑бондинг в силовых кабелях) уменьшает циркулирующие наведённые токи и равномерно распределяет потоки, снижая локальные перегрузки.
6. Защитные конструкции на трассе и на вводах
- Защитные тросы/контурные провода (в т.ч. стальные тросы) и молниеотводы перехватывают разряды до попадания в кабели.
- На вводах — искровые зазоры, экранированные трансформаторные шкафы, защитные блоки.
7. Выбор материалов и конструкций
- Использование экранов и оплёток с хорошей проводимостью (толстая броня/медная оплётка) для отвода импульсных токов.
- Для управления распределением токов — применение ферромагнитных элементов или магнитного экранования в местах терминалов.
8. Снижение спектра высоких частот и диффузия энергии
- Добавление последовательных импедансов (серии реакторы, RC/RL‑фильтры на вводах) и демпферов уменьшает быстрые фронты, снижая $\frac{dI}{dt}$.
- Энергия разряда распределяется по защитным устройствам и земле, уменьшая локальные повреждения.
9. Защита чувствительной электроники
- Использование оптических линий связи вместо электрических для управления; гальваническая развязка, ограничители напряжения и фильтры на входах.
Короткое практическое резюме
- Причина: быстрые изменения тока грозового разряда дают большое $\frac{d\Phi }{dt}$ → наведённые ЭДС в экранах. Формулы: $\mathcal{E}=-\frac{d\Phi }{dt}$, $e^{\prime }=-L^{\prime }\frac{dI}{dt}$, $L^{\prime }=\frac{{\mu }_0}{2\pi }\ln \frac{r_o}{r_i}$.
- Что делать: уменьшить индуктивность и площадь контура, обеспечить низкоимпедансный путь в землю, ставить разрядники/варисторы, применять сегментацию/кросс‑бондинг экранов, защитные тросы и оптическую связь для управляющей аппаратуры.
Если нужно, могу привести пример расчёта наведённого напряжения для конкретных размеров кабеля и типичного фронта грозового тока.