ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ГРОЗОЗАЩИТЫ: СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

УДК 621.3.018.7
DOI 10.57112/E251-820

Ткаченко Константин Вадимович, Сташко Василий Иванович

Аннотация:
В статье проведен анализ современных подходов к повышению эффективности и надежности систем грозозащиты (СГЗ) для защиты электронного оборудования и инфраструктуры от последствий грозовых разрядов. Особое внимание уделено обеспечению отказоустойчивости объектов критической инфраструктуры [1]. Рассмотрены существующие методы и технологии, включая применение устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) различных классов, заземляющих систем, экранирования и координации изоляции. Отмечена роль интеграции современных методов моде-лирования и диагностики, в том числе мониторинга состояния УЗИП в режиме реального времени, для оптимизации параметров СГЗ и обеспечения их высокой надежно-сти в различных условиях эксплуатации [2, 3].

Ключевые слова: системы грозозащиты, импульсные перенапряжения, УЗИП, заземление, электромагнитная совместимость, моделирование, диагностика, надежность, координация изоляции, зоны молниезащиты.

IMPROVING THE EFFICIENCY AND RELIABILITY OF LIGHTNING PROTECTION SYSTEMS: MODERN APPROACHES AND PROSPECTS

Author: Nikita Alexandrovich Dostavalov, Vasily Ivanovich Stashko

Abstract:
This article analyzes modern approaches to improving the efficiency and reliability of lightning protection systems (LPS) for protecting electronic equipment and infrastructure from the effects of lightning strikes. Particular attention is paid to ensuring the fault tolerance of critical infrastructure facilities [1]. Existing methods and technologies are considered, including the use of surge protective devices (SPDs) of various classes, grounding systems, shielding, and insulation coordination. The role of integrating modern modeling and diagnostic methods, including real-time monitoring of SPD status, in optimizing LPS parameters and ensuring their high reliability under various operating conditions is highlighted [2, 3].

Keywords: lightning protection systems, surge protective devices, SPDs, grounding, electromagnetic compatibility, modeling, diagnostics, reliability, insulation coordination, lightning protection zones.

Грозовые разряды представляют собой значительную угрозу для современных электрических и электронных систем, вызывая импульсные перенапряжения, которые приводят к повреждению оборудования, перебоям в электроснабжении и существенным финансовым потерям. Особую актуальность проблема приобретает в контексте защиты объектов критической инфраструктуры, таких как телекоммуникационные сети, системы управления технологическими процессами, энергетические объекты и медицинские учреждения [4, 5]. Обеспечение эффективной и надежной грозозащиты является необходимым условием их бесперебойного функционирования и безопасности. В отличие от традиционных подходов, современные СГЗ проектируются с учетом комплексной защиты не только от прямых ударов молнии, но и от косвенных воздействий, включая наведенные импульсные перенапряжения, возникающие вследствие электромагнитной связи.

Основные принципы построения систем грозозащиты

Эффективные СГЗ базируются на нескольких ключевых принципах, обеспечивающих многоуровневую защиту от грозовых воздействий.

Заземление ‒ фундаментальный элемент любой СГЗ. Оно обеспечивает низкоимпедансный путь для отвода тока молнии в грунт, минимизируя повышение потенциала и разность потенциалов между различными точками системы, что критически важно для предотвращения искровых разрядов и повреждения оборудования. Долговечность и эффективность системы заземления зависят от правильного выбора материалов (например, медь, оцинкованная сталь) и их конфигурации [6, 7].

Экранирование направлено на предотвращение проникновения электромагнитного поля молнии внутрь защищаемых объектов. Применение металлических корпусов, экранированных кабелей и заземленных строительных конструкций создает барьер для электромагнитного излучения. Для эффективного рассеивания наведенных токов экраны должны быть надежно заземлены.

Выравнивание потенциалов достигается объединением всех металлических частей оборудования, конструкций и заземляющих проводников в единую сеть. Эта мера предотвращает возникновение опасных разностей потенциалов, способных привести к искровым разрядам и поражению персонала.

Корректный выбор и установка УЗИП в соответствии со стандартами и концепцией зон молниезащиты (Lightning Protection Zones ‒ LPZ) являются обязательными [8]. Классификация защитных устройств представлена в таблице 1.

Таблица 1 - Современная классификация защитных устройств строится в соответствии с зоновой концепцией молниезащиты (IEC-1024-1, IEC-1312-1)

Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) устанавливаются в критических точках электропроводки (рисунок 1) и линиях передачи данных. Они ограничивают величину перенапряжений и отводят избыточную энергию в землю.

Рисунок 1 - Схема применения УЗИП различных классов в зонах LPZ

Координация изоляции подразумевает согласование уровней защиты различных компонентов системы для обеспечения последовательного снижения перенапряжений по мере их распространения от источника к защищаемому оборудованию [9].

Современные технологии и методы грозозащиты

Современные УЗИП используют различные технологии, обеспечивающие оптимальную защиту в зависимости от характеристик оборудования и параметров перенапряжений.

УЗИП на основе различных технологий:

Газонаполненные разрядники (GDT) обладают высокой пропускной способностью по току и способны выдерживать значительные энергии, что делает их пригодными для защиты от прямых ударов молнии. Недостатком является относительно медленное время срабатывания.

Варисторы на основе оксида металла (MOV) характеризуются быстрым временем срабатывания, что эффективно для ограничения быстро нарастающих перенапряжений. Однако их пропускная способность ограничена, и они подвержены деградации при многократных воздействиях. Совершенствование материалов (например, оксид цинка с добавками) позволяет улучшить их характеристики [6].

Супрессоры на основе TVS-диодов обеспечивают чрезвычайно быстрое время срабатывания и низкое напряжение ограничения, что делает их идеальными для защиты чувствительной электроники. Их применение ограничено слабыми перенапряжениями из-за малой пропускной способности по току.

Комбинированные УЗИП сочетают преимущества различных технологий, обеспечивая защиту от широкого спектра перенапряжений. Например, комбинация GDT и MOV позволяет достичь высокой пропускной способности и быстрого времени срабатывания. Исследования показывают, что такой подход повышает надежность защиты на 20-30% по сравнению с одиночными устройствами [8].

Классификация УЗИП по классам (I, II, III) определяет их применение в различных зонах молниезащиты (LPZ), обеспечивая поэтапное снижение уровня перенапряжений.

Активные системы грозозащиты (АСГЗ)

Активные системы грозозащиты (АСГЗ) предназначены для перехвата молнии и контролируемого отвода ее в землю посредством ионизирующих устройств, создающих проводящий канал. Теоретически это обеспечивает преимущественное поражение молнией АСГЗ. Однако их эффективность и надежность остаются предметом дискуссий в научном сообществе из-за неоднозначных результатов испытаний и зависимости от погодных условий. Критические исследования указывают на возможное несоответствие заявленным характеристикам и высокую стоимость таких систем [4, 5].

Интеллектуальные системы грозозащиты

Интеллектуальные СГЗ интегрируют датчики (электромагнитного поля, тока утечки), контроллеры и специализированное программное обеспечение для непрерывного мониторинга параметров окружающей среды и состояния элементов системы. Они способны автоматически адаптировать режимы работы УЗИП в зависимости от уровня грозовой активности, регистрировать события и предупреждать о необходимости обслуживания. Примером является система, анализирующая данные датчиков электромагнитного поля для прогнозирования вероятности удара молнии и активации дополнительных мер защиты. Важной задачей при внедрении таких систем является обеспечение кибербезопасности и защита от несанкционированного доступа. По данным исследований, внедрение предиктивной аналитики в СГЗ позволяет снизить количество неплановых отказов на 40% [3, 10].

Моделирование и диагностика систем грозозащиты

Моделирование электромагнитных процессов.

Современные методы вычислительного моделирования, такие как метод конечных элементов (МКЭ) и метод конечных разностей во временной области (FDTD), позволяют с высокой точностью имитировать электромагнитные процессы, возникающие при грозовых разрядах. Это дает возможность оптимизировать конструкцию и параметры СГЗ, оценить эффективность заземления, экранирования и УЗИП, а также выявить потенциальные слабые места на этапе проектирования. Для моделирования широко используются специализированные программные пакеты (EMTP-RV, ATP-EMTP). Верификация моделей на основе реальных данных о грозовой активности в конкретном регионе является важным этапом [6, 11].

Диагностика состояния элементов системы грозозащиты.

Регулярная диагностика компонентов СГЗ ‒ обязательное условие поддержания их работоспособности. Применяются следующие методы:

Измерение сопротивления заземления для контроля состояния заземляющих электродов [7].
Импедансная спектроскопия как метод неразрушающего контроля заземляющих устройств [7].
Тестирование УЗИП с использованием специализированных тестеров для оценки напряжения срабатывания и тока утечки [9].
Тепловизионный контроль для выявления перегрева соединений и оборудования.
Визуальный осмотр с целью обнаружения механических повреждений и коррозии.
Мониторинг состояния УЗИП в режиме реального времени, включая измерение тока утечки и анализ спектра частот для прогнозирования срока службы [3, 10].
Своевременное выявление и устранение дефектов позволяют предотвратить отказы СГЗ и обеспечить надежную защиту оборудования.

Таблица 2 - Методов диагностики, целей и периодичности СГЗ

Заключение

Повышение эффективности и надежности систем грозозащиты является критически важной задачей для обеспечения безопасности и бесперебойной работы современных электрических и электронных систем, особенно на объектах критической инфраструктуры. Решение этой задачи требует комплексного подхода, включающего применение современных технологий защиты, методов моделирования и диагностики. Развитие интеллектуальных СГЗ, способных адаптироваться к изменяющимся условиям, а также непрерывный мониторинг состояния элементов защиты открывают новые перспективы в области грозозащиты и позволяют минимизировать ущерб от грозовых воздействий. Дальнейший прогресс в этой области связан с разработкой новых материалов для УЗИП [6, 12], совершенствованием методов моделирования и диагностики [11], а также созданием стандартов, регламентирующих применение интеллектуальных СГЗ.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Корнев Д. С., Николаев О. Н. Методы и средства повышения надежности систем грозозащиты критической инфраструктуры // Научно-технический вестник Поволжья. 2024. №1. С. 15-23.
2. Kuznetsov A. V., Ivanova M. S. Modern approaches to improving the reliability of lightning protection systems in critical infrastructure facilities // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. Vol. 137, Issue 2, February 2024, p. 107832.
3. Petrovsky V. N., Kiselev D. A. Development trends for intelligent lightning protection systems based on predictive diagnostics // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. Vol. 67, No. 1, January 2025, pp. 145-154.
4. Авдеев А. А., Морозова Е. В. Современное состояние и перспективы развития систем грозозащиты // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия Энергетика. 2023. №3. С. 12-21.
5. Пятков, П. А. Модернизация устройств защиты электрической подстанции от импульсных перенапряжений / П. А. Пятков, И. Д. Коновалов // Наука. Информатизация. Технологии. Образование : материалы XVII международной научно-практической конференции, Екатеринбург, 10–13 марта 2024 года. – Екатеринбург: Российский государственный профессионально-педагогический университет, 2024. – С. 71-78. – EDN OHXNBJ.
6. Сергеев К. П., Сидоров Р. Л. Оптимизация параметров защитных устройств в системах грозозащиты промышленных предприятий // Проблемы современной энергетики. 2023. №2. С. 87-96.
7. Создание системы автоматизированного проектирования молниезащиты ПС и ВЛ / Г. Масин, Б. Литаш, А. Жуйков, Д. Матвеев // Электроэнергия. Передача и распределение. – 2022. – № S2(25). – С. 30-37. – EDN YHHOAL.
8. Иванов В. И., Петров Г. Г. Применение комбинированных устройств защиты от импульсных перенапряжений в системах грозозащиты // Электротехника и энергетика. 2022. Т. 12. №4. С. 115-125.
9. Анализ методов повышения энергоэффективности систем энергоснабжения / С. С. Харлампьева, С. В. Горелов, Н. Н. Сахнова [и др.] // Актуальные вопросы энергетики : Материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Омск, 14–15 мая 2021 года / Редколлегия: П. А. Батраков (отв. ред.) [и др.]. – Омск: Омский государственный технический университет, 2021. – С. 14-18. – EDN SVHHKO.
10. Емельянов, Н. И. Экспериментальные исследования и моделирование коммутационных перенапряжений и средств защиты присоединений с трансформаторами 6-35 кВ / Н. И. Емельянов, М. В. Ильиных, М. Л. Кириленко // Релейная защита и автоматизация. – 2021. – № 3(44). – С. 58-69. – EDN MOFMPV.
11. Kuznetsov A. V., Ivanova M. S. Modern approaches to improving the reliability of lightning protection systems in critical infrastructure facilities // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. Vol. 137, Issue 2, February 2024, p. 107832.
12. Патент на полезную модель № 214353 U1 Российская Федерация, МПК H01B 7/30, H02H 9/04, H01F 27/28. Устройство для защиты от высокочастотных перенапряжений : заявл. 27.06.2022 : опубл. 25.10.2022 / С. М. Коробейников, А. В. Ридель, А. Л. Бычков, В. А. Ломан ; заявитель Общество с ограниченной ответственностью «Электрозащитные решения». – EDN GHAJOA.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Ткаченко К. В. – студент группы 8Э(з)-31, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.
Сташко В. И. – к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул. 

ССЫЛКА ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ

Ткаченко К. В. Повышение эффективности и надежности систем грозозащиты: современные подходы и перспективы / К. В. Ткаченко, В. И. Сташко // Энерджинет / ООО «МЦ ЭОР». – 2025. – № 1. URL: https://nopak.ru/251-820 (дата обращения: 22.01.2025). – Текст: электронный.