ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 35-43
ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА
УДК 551.594
СИСТЕМА МОЛНИЕЗАЩИТЫ УСТАНОВКИ "АНДЫРЧИ"
© 2004 г. В. И. Волченко, Г. В. Волченко, А. Н. Заиченко, В. Б. Петков,
, А. В. Радченков
Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а Поступила в редакцию 18.08.2003 г.
Описана система молниезащитных мер в условиях высокогорья на установке "Андырчи", созданной в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН. Приводится ряд практических рекомендаций по молниезащите электронной аппаратуры физических установок, имеющих протяженные линии связи между датчиками физических величин и регистрирующей аппаратурой.
В. Я. Поддубный
По мере усложнения и увеличения общего объема электронных измерительных устройств физических установок, работающих на открытой местности, вопросы их безопасной эксплуатации в периоды грозовой активности становятся все более актуальными. Известно, что современные микроэлектронные устройства не выдерживают даже кратковременных перегрузок, как по напряжению, так и по току.
Наиболее уязвимы высокочастотные компоненты электронных схем, прецизионные операционные усилители, а также элементы, обладающие высоким входным импедансом. Для большинства этих приборов пороговое значение поражающего напряжения составляет 15-30 В. То есть выход из строя аппаратуры зачастую обусловлен не прямым попаданием молнии в установку, для которого характерны перегрузки в сотни киловольт и десятки килоампер, а воздействием таких факторов, как электромагнитная и электростатическая индукции, токи, растекающиеся по поверхности грунта от места прямого попадания, наличие на установке высокого потенциала, наведенного через металлоконструкции или цепи силового питания.
Детальный анализ и инженерные расчеты параметров дистанционного поражающего воздействия молнии достаточно полно изложены в [1, 2] и не являются темой настоящей статьи. Основная цель этой работы - описание практических мер по защите от дистанционного воздействия молнии, применяемых на высокогорной физической установке "Андырчи".
Установка "Андырчи" была создана в Баксанской нейтринной обсерватории института ядерных исследований РАН [3] для регистрации широких атмосферных ливней. Она расположена на склоне горы Андырчи (рис. 1) над подземным сцинтилляционным телескопом ПСТ [4] и состоит из 37 сцинтилляционных детекторов, каждый из которых содержит ф.э.у., усилитель анодных
сигналов, устройство измерения энерговыделения в детекторе [5], высоковольтный преобразователь постоянного напряжения, систему терморегуляции, измерительный датчик температуры.
Расстояние между соседними детекторами установки в горизонтальной плоскости составляет
Центральный детектор
(а)
Склон горы Андырчи
358 м Штольня
ПСТ
550 м
40 м
(б)
40 м
Рис. 1. Вид установки "Андырчи": а - относительное положение установок ПСТ и "Андырчи"; б - проекция на горизонтальную плоскость.
35
3*
Рис. 2. Условная функциональная схема защиты установки: а - идеализированная схема пассивной защиты с двумя металлическими оболочками; б - условная схема отключения линий связи. 1 - контейнер с аппаратурой; 2 - оболочка детектора; 3 - металлорукав; 4 - внутренняя экранирующая оболочка; 5 - многоканальная линия связи; 6 - регистрирующая ячейка; 7 - стойка с регистрирующей аппаратурой; 8 - контакты защитных реле; 9 - электронный узел детектора; 10 - электростатический соединитель; ЭУ - электронный узел.
40 м, перепад высоты между верхними и нижними рядами детекторов ~150 м. Общая площадь установки 5 х 104 м2. Расстояние от центра установки до нижнего уровня ущелья ~350 м. Центр установки находится на высоте 2010 м над уровнем моря. В окрестности центральной части установки расположен металлический контейнер (6.0 х 3.5 х 2.5 м) с приемной регистрирующей аппаратурой, компьютером, стабилизированными источниками электропитания.
Электропитание установки осуществляется через силовой кабель от подземной установки ПСТ. Компьютерная связь с ПСТ, а также синхронизация работы двух установок осуществляется через коаксиальные кабели длиной ~1300 м. Максимальная длина линий связи между детекторами и регистрирующей аппаратурой ~300 м.
В связи с тем, что установка "Андырчи" находится в условиях высокогорья, основными неблагоприятными факторами ее эксплуатации с точ-
ки зрения воздействия атмосферного электричества являются:
• близость зарождения грозовых облаков (средняя высота грозовых облаков в Европе 3 км);
• высокое удельное сопротивление грунта на территории установки (р = 104-107 Ом ■ м), не позволяющее сделать защитное заземление;
• сложный рельеф местности, не позволяющий надежно изолировать линии связи и детекторы от слабо проводящего грунта;
• большая площадь установки и сопутствующие ей протяженные линии связи.
В целом установку можно рассматривать как сложную металлическую конструкцию с произвольными поверхностными контактами с грунтом, находящуюся на теле гигантского грозоот-вода, каковым является гора Андырчи.
ЭЛЕМЕНТЫ ПАССИВНОЙ ЗАЩИТЫ
Даже негрозовое облако, имеющее потенциал относительно земли 200 кВ и находящееся на высоте 2 км над установкой, создает напряженность поля ~100 В/м. С учетом перепада высот между верхними и нижними детекторами в 150 м, разность потенциалов между ними в отключенном состоянии составит ~15 кВ. Также для горной местности с низкой относительной влажностью характерна ветровая электризация металлоконструкций, не имеющих заземления.
Электронный узел детектора, представляющий собой металлический кожух, внутри которого размещены все электронные блоки и датчики, будучи отключенным от линии связи может приобрести через утечку изоляции, через контакт с внешним защитным кожухом или через тело человека заряд, значительно отличающийся от заряда других детекторов. Следовательно, в момент подключения электронного узла к линии связи произойдет нейтрализация зарядов детектора и регистрирующей аппаратуры.
Эта нейтрализация носит импульсный характер с пиковым напряжением от единиц до десятков киловольт и может вывести из строя измерительные устройства детектора и соответствующий ему узел регистрирующей аппаратуры. Так, в период пусконаладочных работ при подключении линии связи к детектору между штепсельной и гнездовой частями разъема происходил электрический пробой воздушного промежутка размером 2-6 мм, в результате чего многочисленные фрагменты электронных схем выходили из строя.
Для устранения этого эффекта корпуса электронных узлов всех детекторов были соединены отдельным изолированным проводом в одной единственной точке на общей шине стойки регистрирующей аппаратуры (рис. 2а, 26). Этот провод -электростатический соединитель 10, являясь эле-
ментом пассивной защиты, отключается в исключительных случаях, а именно, только при изъятии электронного узла из-под защитного кожуха. При этом при отключении электронного узла сначала отключается линия связи и только после этого - электростатический соединитель (при монтаже электронного узла эта операция выполняется в обратной последовательности).
Как отмечалось выше, установка находится на теле природного грозоотвода с плохо проводящей поверхностью, поэтому наиболее опасным следствием воздействия молнии являются токи, неравномерно растекающиеся по склону горы во время разрядов, часто возникающих в области вершины. Так, если на линии между наиболее удаленными детекторами (~300 м) в поверхностном слое грунта возникает ток плотностью всего 0.01 А/м2, то и при наиболее благоприятных условиях, когда удельное сопротивление грунта ~104 Ом ■ м, разность потенциалов между детекторами составит 30 кВ.
Если детекторы и линии связи не имеют общей экранирующей оболочки, способной выравнивать этот потенциал, или недостаточно хорошо изолированы от поверхности грунта, то неизбежно произойдет пробой изоляции, и ток молнии распространится между детекторами через регистрирующую аппаратуру, поразив электронное оборудование. Поэтому вторым важным элементом пассивной защиты является электростатическое экранирование установки.
Условная функциональная схема экранирования установки изображена на рис. 2а. Экранирование детектора осуществляется защитным кожухом, выполненным из стального листа толщиной 0.5 мм, функции экрана регистрирующей аппаратуры выполняет металлический контейнер, в котором она находится. Экранирующей оболочкой линий связи является стальной метал-лорукав. В непосредственной близости от детектора оболочка металлорукава соединяется с корпусом защитного кожуха детектора, а на противоположном конце - с кожухом контейнера. Все линии связи выполнены многожильными экранированными, а также коаксиальными кабелями.
Таким образом, металлические корпуса детекторов и контейнера с аппаратурой вместе с цилиндрическим металлорукавом представляют собой единую оболочку. Внутренние экранирующие оболочки, являясь электромагнитным экраном линий, замыкаются на аппаратуру. Электронный узел детектора, линии связи, а также регистрирующая аппаратура изолированы от внешней металлической оболочки. И только в одном месте на стойке с регистрирующей аппаратурой, куда сходятся все общие шины линий связи, оплетки коаксиальных кабелей, электростатические соединители, имеется общая точка соединения с
корпусом контейнера, а, следовательно, с внешней экранирующей оболочкой через резистор утечки Яу ~ 10-100 кОм, уравнивающий потенциалы внутренних экранирующих оболочек с внешней.
Непосредственное соединение внешней оболочки с общей аппаратурной точкой, т.е. когда Яу = 0, нежелательно из-за возможного проникновения значительных зарядов внутрь под оболочку. Напротив, в тех случаях, когда в центре подобной установки имеется надежное заземление с малым сопротивлением заземлителя объединение наружной оболочки и внутренних экранов в центре установки полезно, так как делает оболочку металлорукава дополнительным электромагнитным экраном с распределенными параметрами.
Максимальный защитный эффект достигается благодаря образованию двойной металлической оболочки, одна из которых - металлорукав, а другая - сово
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.