На написание данного текста меня сподвигло ощущение незнания многими принципов работы, использования (или даже незнание о существовании) параллельной защиты от импульсных перенапряжений в сети, в том числе и вызванных разрядами молний
Импульсные помехи в сети довольно распространены, они могут возникать во время грозы, при включении/выключении мощных нагрузок (поскольку сеть это RLC цепь, то в ней при этом возникают колебания, вызывающие выбросы напряжения) и многие другие факторы. В слаботочных, в том числе цифровых цепях, это еще более актуально, поскольку коммутационные помехи достаточно хорошо проникают через источники питания (больше всего защищенными являются Обратноходовые преобразователи - в них энергия трансформатора передается на нагрузку, когда первичная обмотка отключена от сети).
В Европе уже давно де-факто практически обязательна установка модулей защиты от импульсных перенапряжений (далее буду, для простоты, называть грозозащитой или УЗИП), хотя сети у них получше наших, а грозовых областей меньше.
Особо актуальна стало применение УЗИП последние 20 лет, когда ученые стали разрабатывать все больше вариантов полевых MOSFET транзисторов, которые очень боятся превышения обратного напряжения. А такие транзисторы используются практически во всех импульсных источниках питания до 1 кВА, в качестве ключей на первичной (сетевой) стороне.
Другой аспект применения УЗИП - обеспечение ограничения напряжения между нейтральным и земляным проводником. Перенапряжение на нейтральном проводнике в сети может возникать, например, при переключении Автомата ввода резерва с разделенной нейтралью. Во время переключения, нейтальный проводник окажется «в воздухе» и на нем может быть что угодно.
Характеристики импульсов перенапряжения
Импульсы перенапряжений в сети характеризуются формой волны и амплитудой тока. Форма импульса тока характеризуется временем его нарастания и спада - для европейских стандартов это импульсы 10/350 мкс и 8/20 мкс. В России, как это случается часто в последнее время, переняли стандарты Европы и появился ГОСТ Р 51992-2002. Числа в обозначении формы импульса означают следующее:- первая - время (в микросекундах) нарастания импульса тока с 10% до 90% от максимального значения тока;
- вторая - время (в микросекундах) спада импульса тока до 50% от максимального значения тока;
Защитные устройства делятся на классы в зависимости от мощности импульса, который они могут рассеять:
1) Класс 0 (А) - внешняя грозозащита (в данном посте не рассматриваем);
2) Класс I (B) - защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой от 25 до 100 кА формой волны 10/350 мкс (защита в вводно-распределительных щитах здания);
3) Класс II (C) - защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой от 10 до 40 кА формой волны 8/20 мкс (защита в этажных щитах, электрощитах помещений, вводах электропитающего оборудования);
3) Класс III (D) - защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой до 10 кА формой волны 8/20 мкс (в большинстве случаев защита встроена в оборудование - если оно изготовлено в соответствии с ГОСТ);
Приборы защиты от импульсных перенапряжений
Основными двумя приборами УЗИП являются разрядники и варисторы различной конструкции.Разрядник
Разрядник - электрический прибор открытого (воздушного) или закрытого (наполненного инертными газами) типа, содержащий в простейшем случае два электрода. При превышении напряжения на электродах разрядника определенного значения, он «пробивается», тем самым ограничивая напряжение на электродах на определенном уровне. При пробое разрядника по нему протекает значительный ток (от сотен Ампер до десятков килоАмпер) за короткое время (до сотен микросекунд). После снятия импульса перенапряжения, если не была превышена мощность, которую способен рассеять разрядник - он переходит в исходное закрытое состояние до следующего импульса.
Основные характеристики разрядников:
1) Класс защиты (см. выше);
2) Номинальное рабочее напряжение - длительное, рекомендованное производителем рабочее напряжение разрядника;
3) Максимальное рабочее переменное напряжение - предельное длительное напряжение разрядника, при котором он гарантированно не сработает;
4) Максимальный импульсный разрядный ток (10/350) мкс - максимальное значение амплитуды тока с формой волны (10/350) мкс, при котором разрядник не выйдет из строя и обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
5) Номинальный импульсный разрядный ток (8/20) мкс - номинальное значение амплитуды тока с формой волны (8/20) мкс, при котором разрядник обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
6) Напряжение ограничения - максимальное напряжение на электродах разрядника при его пробое из-за возникновения импульса перенапряжения;
7) Время срабатывания - время открывания разрядника (практически для всех разрядников - менее 100 нс);
8) (редко указываемый производителями параметр) статическое напряжение пробоя разрядника - статическое напряжение (медленно изменяемое во времени), при котором произойдет открытие разрядника. Измеряется подачей постоянного напряжения. В большинстве случаев оно на 20-30% превышает максимальное рабочее переменное напряжение, приведенное к постоянному (переменное напряжение, умноженное на корень из 2) ;
Выбор разрядника достаточно творческий процесс с многочисленными «плевками в потолок» - ведь мы заранее не знаем значение тока, который возникнет в сети...
При выборе разрядника можно руководствоваться следующими правилами:
1) При установке защиты в вводных щитах от воздушной линии электропередач или в областях, где частые грозы, устанавливать разрядники с максимальным разрядным током (10/350) мкс не менее 35 кА;
2) Выбирать максимальное длительное напряжение немного больше предполагаемого максимального сетевого напряжения (в противном случае есть вероятность что при высоком сетевом напряжении, разрядник откроется и выйдет из строя от перегрева);
3) Выбирать разрядники с как можно меньшим напряжением ограничения (при этом обязательно выполнение правил 1 и 2). Обычно напряжение ограничения разрядников класса I от 2,5 до 5 кВ;
4) Между проводниками N и PE устанавливать разрядники, специально для этого предназначенные (производители указывают что они для подключения к N-PE проводникам). Кроме того, эти разрядники характеризуются более низкими рабочими напряжениями, обычно порядка 250 В переменного тока (между нейтралью и землей в нормальном режиме вообще напряжение отсутствует) и большим разрядным током - от 50 кА до 100 кА и выше.
5) Подключать разрядники к сети проводниками сечением не менее 10 мм2 (даже если сетевые проводники имеют меньшее сечение) и как можно меньшей длины. Например, при возникновении в проводнике длиной 2 мера сечением 4 мм2 тока 40 кА, на нем упадет (в идеальном случае без учена индуктивности - а она тут играет большую роль) около 350 В. Если таким проводником подключен разрядник, то в точке подключения к сети напряжение ограничения будет равным сумме напряжения ограничения разрядника и падения напряжения на проводнике при импульсном токе (наши 350 В). Таким образом, значительно ухудшаются защитные свойства.
6) По возможности устанавливать разрядники перед вводным автоматическим выключателем и обязательно перед УЗО (при этом необходимо последовательно с разрядником установить предохранитель с характеристикой gL на ток 80-125 А, для обеспечения отключения разрядника от сети при выходе его из строя). Поскольку установить УЗИП перед вводным автоматом никто не позволит - желательно чтобы автомат был на ток не менее 80А с характеристикой срабатывания D. Это снизит вероятность ложного срабатывания автомата при срабатывании разрядника. Установка УЗИП перед УЗО обусловлена низкой стойкостью УЗО к импульсным токам, кроме того, при срабатывании разрядника N-PE, УЗО будет ложно срабатывать. Также, желательно УЗИП устанавливать перед счетчиками электроэнергии (что опять же, энергетики не позволят сделать)
Варистор
Варистор - полупроводниковый прибор с «крутой» симметричной вольт-амперной характеристикой.
В исходном состоянии варистор имеет высокое внутреннее сопротивление (от сотен кОм до десятков и сотен МОм). При достижении напряжения на контактах варистора определенного уровня, он резко снижает свое сопротивление и начинает проводить значительный ток, при этом напряжение на контактах варистора изменяется незначительно. Как и разрядник, варистор способен поглотить энергию импульса перенапряжения длительностью до сотен микросекунд. Но при длительном повышенном напряжении, варистор выходит из строя с выделением большого количества тепла (взрывается).
Все варисторы в исполнении на DIN-рейку оснащены тепловой защитой, предназначенной для отключения варистора от сети при его недопустимом перегреве (при этом по локальной механической индикации можно определить, что варистор вышел из строя).
На фото варисторы с встроенным тепловым реле после превышения рабочего напряжения разных значений. При значительном перенапряжении такая встроенная тепловая защита практически не эффективна - варисторы взрываются так, что уши закладывает. Однако, встроенная тепловая защита в варисторных модулях на DIN-рейку достаточно эффективна при любых длительных перенапряжениях, и успевает отключить варистор от сети
Небольшое видео натуралистических испытаний:) (подача на варистор диаметром 20 мм повышенного напряжения - превышение на 50 В)
Основные характеристики варисторов:
1) Класс защиты (см. выше). Обычно варисторы имеют класс защиты II (C), III (D);
2) Номинальное рабочее напряжение - длительное, рекомендованное производителем рабочее напряжение варистора;
3) Максимальное рабочее переменное напряжение - предельное длительное напряжение варистора, при котором он гарантированно не откроется;
4) Максимальный импульсный разрядный ток (8/20) мкс - максимальное значение амплитуды тока с формой волны (8/20) мкс, при котором варистор не выйдет из строя и обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
5) Номинальный импульсный разрядный ток (8/20) мкс - номинальное значение амплитуды тока с формой волны (8/20) мкс, при котором варистор обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
6) Напряжение ограничения - максимальное напряжение на варисторе при его открытии из-за возникновения импульса перенапряжения;
7) Время срабатывания - время открывания варистора (практически для всех варисторов - менее 25 нс);
8) (редко указываемый производителями параметр) классификационное напряжение варистора - статическое напряжение (медленно изменяемое во времени), при котором ток утечки варистора достигает значения 1 мА. Измеряется подачей постоянного напряжения. В большинстве случаев оно на 15-20% превышает максимальное рабочее переменное напряжение, приведенное к постоянному (переменное напряжение, умноженное на корень из 2) ;
9) (очень редко указываемый производителями параметр) допустимая погрешность параметров варистора - практически для всех варисторов ±10%. Эту погрешность следует учитывать при выборе максимального рабочего напряжения варистора.
Выбор варисторов также как и разрядников сопряжен с трудностями, связанными с неизвестностью условий их работы.
При выборе варисторной защиты можно руководствоваться следующими правилами:
1) Варисторы устанавливаются как вторая-третья ступень защиты от импульсных перенапряжений;
2) При использовании варисторной защиты II класса совместно с защитой I класса, необходимо учитывать разную скорость срабатывания варисторов и разрядников. Поскольку разрядники медленнее варисторов, если УЗИП не согласовать, варисторы будут принимать на себя бОльшую часть импульса перенапряжения и быстро выйдут из строя. Для согласования I и II классов грозозащиты применяются специальные согласующие дроссели (производители УЗИ имеют их ассортимент для таких случаев), либо длина кабеля между УЗИП I и II классов должна быть не менее 10 метров. Недостатком такого решение является необходимость вреза дросселей в сеть или ее удлинение, что увеличивает ее индуктивную составляющую. Единственным исключением является немецкий производитель PhoenixContact , который разработал специальные разрядники I класса с так называемым «электронным поджигом», которые «согласованы» с варисторными модулями этого же производителя. Эти комбинации УЗИП можно устанавливать без дополнительного согласования;
3) Выбирать максимальное длительное напряжение немного больше предполагаемого максимального сетевого напряжения (в противном случае есть вероятность что при высоком сетевом напряжении, варистор откроется и выйдет из строя от перегрева). Но тут нельзя перебарщивать, поскольку напряжение ограничения варистора напрямую зависит от классификационного (а следовательно, от максимального рабочего напряжения). Примером неудачного выбора максимального рабочего напряжения являются варисторные модули ИЭК с максимальным длительным напряжением 440 В. Если их устанавливать в сеть с номинальным напряжением 220 В, то работа его будет крайне неэффективна. Кроме того, следует учитывать, что варисторы имеют тенденцию к «старению» (т.е. со временем, при многих срабатываниях варистора, его классификационное напряжение начинает снижаться). Оптимальным для России будет применение варисторов длительным рабочим напряжением от 320 до 350 В;
4) Выбирать нужно с как можно меньшим напряжением ограничения (при этом обязательно выполнение правил 1 - 3). Обычно напряжение ограничения варисторов класса II для сетевого напряжения от 900 В до 2,5 кВ;
5) Не соединять параллельно варисторы для увеличения суммарной рассеиваемой мощности. Многие производители защит УЗИП (особенно класса III (D)) грешат параллельным соединением варисторов. Но, поскольку 100% одинаковых варисторов не существует (даже из одной партии они разные), всегда один из варисторов окажется самым слабым звеном и выйдет из строя при импульсе перенапряжения. При последующих же импульсах выйдут из строя цепочной остальные варисторы, поскольку они уже не будет обеспечивать требуемую мощность рассеяния (это тоже самое что соединять параллельно диоды для увеличения общего тока - так делать нельзя)
6) Подключать варисторы к сети проводниками сечением не менее 10 мм2 (даже если сетевые проводники имеют меньшее сечение) и как можно меньшей длины (рассуждения те же, что и для разрядников).
7) По возможности устанавливать варисторы перед вводным автоматическим выключателем и обязательно перед УЗО. Поскольку установить УЗИП перед вводным автоматом никто не позволит - желательно чтобы автомат был на ток не менее 50А с характеристикой срабатывания D (для варисторов II класса). Это снизит вероятность ложного срабатывания автомата при срабатывании варистора.
Краткий обзор производителей УЗИП
Ведущими производителями, специализирующимися на УЗИП низковольтных сетей являются: Phoenix Contact ; Dehn ; OBO Bettermann ; CITEL ; Hakel . Также у многих производителей низковольтной аппаратуры, в продукции имеются модули УЗИП (ABB, Schneider Electric и др.). Кроме того, китай успешно копирует УЗИП мировых производителей (поскольку Варистор достаточно простой прибор, китайские производители изготавливают довольно качественную продукцию - например модули TYCOTIU).Кроме того, на рынке довольно много готовых щитков защиты от импульсных перенапряжения, включающих в себя модули одного или двух классов защиты, а также предохранители для обеспечения безопасности, в случае выхода из строя защитных элементов. В этом случае, щиток закрепляется на стене и подключается к имеющейся электропроводке в соответствии с рекомендациями производителя.
Стоимость УЗИП разнится в зависимости от производителя в разы. В свое время (несколько лет назад), мною был проведен анализ рынка и выбран ряд производителей II класса защиты (некоторые в список не попали, в связи с отсутствием исполнений модулей на требуемое длительное рабочее напряжения 320 В или 350 В).
Как замечание по качеству, могу выделить только модули HAKEL (например PIIIMT 280 DS) - они имеют слабые контактные соединения вставок и изготовлены из горючего пластика, что запрещено ГОСТ Р 51992-2002. На данный момент HAKEL обновили ряд продукции - о ней ничего сказать не могу, т.к. не буду использовать HAKEL больше никогда
Применение УЗИП класса III (D) и защиту цифровых цепей устройств оставим на потом.
В заключение могу сказать, если после прочтения всего у вас появилось больше вопросов, чем после прочтения заголовка - это хорошо, поскольку тема заинтересовала, а она настолько необъятная, что можно не одну книгу написать.
Теги:
- грозозащита
- УЗИП
- защита от перенапряжения
Одним из факторов, приводящих к повреждениям электрооборудования, являются атмосферные перенапряжения , связанные с ударами молний. Действия атмосферного электричества разделяются на:
- прямые удары молний электрооборудование;
- удары молний рядом с электрооборудованием, воздействующие на него при помощи мощного электромагнитного импульса;
- удары молний вдали от потребителей, электромагнитная волна от которых воспринимается полупроводниковыми устройствами телемеханики и связи и создает помехи для их работы.
Воздействия атмосферных перенапряжений характерны небольшой длительностью импульса – порядка десятков миллисекунд. Но на это время напряжение в сети многократно повышается. Это приводит к пробоям изоляции и повреждениям как линий связи, так и питающихся от них потребителей.
Для защиты от перенапряжений, создаваемых грозовыми разрядами, используют устройства, ограничивающие амплитудное значение напряжения до уровня, безопасного для изоляции электрооборудования.
Искровые и вентильные разрядники, ОПН
Первыми устройствами, примененными для ограничения величин перенапряжений в сети, были искровые разрядники . Действие их основано на пробое воздушного промежутка фиксированной длины при определенном напряжении.
Разрядник подключается между защищаемыми фазами и контуром молниезащиты. Для каждой из фаз устанавливается персональный элемент. Он может выполняться открытым и состоять из расположенных торцами напротив друг друга металлических прутков. А может состоять из электродов, заключенных в изолирующую оболочку.
В момент возникновения грозового перенапряжения искровой промежуток разрядника пробивается, и мощность импульса уходит в землю через контур молниезащиты. За счет этого уровень напряжения ограничивается. По окончании импульса дуга гаснет, и разрядник снова готов к работе. В нормальном режиме он не потребляет тока и не оказывает влияния на режим работы электроустановки.
Вторым устройством, защищающим изоляцию от перенапряжений, были вентильные разрядники . Они состоят из двух элементов, соединенных последовательно: многократного искрового промежутка и гасящего резистора. При перенапряжении искровые промежутки пробиваются, через них и резистор протекает ток. В результате снижается напряжение в сети. Как только возмущающее воздействие снимается, дуга в искровых промежутках гаснет, и разрядник приходит в исходное положение.
Вентильные разрядники герметичны и работают бесшумно, в отличие от искровых, выделяющих в атмосферу продукты горения дуги.
Вентильные и искровые разрядники применяются только в электроустановках высокого напряжения.
Предыдущие защитные устройства заменяются ограничителями перенапряжений (ОПН) .
Внутри ОПН находится варистор: резистор с нелинейной зависимостью сопротивления от приложенного к нему напряжения . При превышении порогового значения напряжения ток через варистор резко возрастает, предотвращая дальнейшее его повышение. При прекращении грозового или коммутационного импульса ОПН переходит в исходное состояние.
По сравнению с предыдущими устройствами ОПН надежнее и меньших габаритов. Их характеристики подбираются более точно, что позволило выработать гибкую стратегию их эффективного применения.
Модульные ОПН для сетей низкого напряжения получили название устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) .
К ним относятся:
Форма волны импульсного перенапряжения стандартизирована для случаев:
- прямое попадание молнии – 10/350 мкс ;
- воздействие непрямого действия молнии – 8/20 мкс .
По назначению УЗИП по стандарту МЭК разделяются на типы 1-3, по ГОСТ Р 51992-2002 они разделяются на классы испытаний (I – III). Соответствие и назначение этих характеристик указано в таблице.
| Типы по IEC 61643 | Классы по ГОСТ Р 51992-2002 | Назначение | Место установки |
| 1 | I | Для ограничения перенапряжений от прямых ударов молний | На вводе в здание, в главном распределительном щите |
| 2 | II | Для ограничения перенапряжений от далеких ударов молний и коммутационных перенапряжений | На вводах, где не существует опасности прямых ударов |
| 1+2 | I+II | Объединяются характеристики типов УЗИП 1 и 2 | Как для типов 1 или 2 |
| 3 | III | Для защиты чувствительных потребителей. Имеют самый низкий уровень защитного напряжения | Для непосредственной установки у потребителей |
По конструктивному исполнению УЗИП выпускаются с разным числом полюсов: от одного до четырех.
Выбор УЗИП
Для начала нужно определить степень воздействия молний или коммутационных перенапряжений на защищаемый объект. Для этого используются данные об интенсивности грозовых разрядов в месте установки, учитывается наличие устройств молниезащиты, линий электропередачи и их протяженность. Если ввод в дом выполнен кабельной линией, то она более защищена от прямых ударов молний, чем воздушная.
Электроустановка здания разделяется на зоны, защищаемые УЗИП соответствующих классов. Задача такого разделения: ступенчато снизить уровень перенапряжения так, чтобы более мощные устройства гасили основную волну перенапряжения, а по мере ее продвижения по распределительной сети устройства низшего класса дополнительно снижали ее воздействие, обеспечивая минимум в точке подключения потребителей.
Одновременно с этим безопасность электрооборудования обеспечивается выбором класса изоляции, соответствующего зоне защиты .
На вводе в здание устанавливаются УЗИП типов 1 или 1+2 . Они выдерживают импульс от прямого удара молнии, снижая его до величины, допустимой для электрооборудования с классом изоляции IV (до 6 кВ) . Точка установки УЗИП – во вводном щитке, ВРУ (вводном распределительном устройстве) или ГРЩ (главном распределительном щитке).
Класс изоляции электрооборудования, расположенного в этих распределительных устройствах после УЗИП, должен быть не хуже III (до 4 кВ) .
Следующий рубеж защиты – распределительные щитки , подключенные к ВРУ или ГРЩ в глубине здания. На их входе устанавливаются УЗИП типа II , снижающие уровень перенапряжения до величины, приемлемой для электрооборудования с классом изоляции II (2.5 кВ) . Так защищаются потребители, включающиеся непосредственно в розетки питания и устройства освещения.
При необходимости защиты электрооборудования, наиболее чувствительного к помехам (компьютерная техника, устройства связи), применяются УЗИП типа 3 , устанавливающиеся в непосредственной близости от защищаемого объекта.
Требования к подключению УЗИП
При трехфазном питании и системе заземления TN-C к УЗИП подключаются все три фазы напряжения. В случае с системами TN-C-S или TN-S – к трем фазам добавляется нулевой рабочий проводник. Вывод «РЕ» соединяется с главной заземляющей шиной ВРУ или шиной РЕ распределительного щитка. Главная заземляющая шина соединяется с контуром заземления здания.
|
импульсное перенапряжение
В настоящее время в различных литературных источниках для описания процесса резкого повышения напряжения используются следующие термины:перенапряжение,
амплитуды напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд вызываемое коммутационными процессами в электрической сети или молниевыми разрядами . В соответствии с классификацией электромагнитных помех [ГОСТ Р 51317.2.5-2000] указанные помехи относятся к кондуктивным высокочастотным переходным электромагнитным апериодическим помехам. [Техническая коллекция Schneider Electric. Выпуск № 24. Рекомендации по защите низковольтного электрооборудования от импульсных перенапряжений ] импульсное повышение электропитания |
|
| EN |
surge spike Sharp high voltage increase (lasting up to 1mSec). [http://www.upsonnet.com/UPS-Glossary/ ] |
| FR |
Параллельные тексты EN-RU
Surges are caused by nearby lightning activity and motor load switching
created by air conditioners, elevators, refrigerators, and so on.
ВОПРОС: ЧТО ЯВЛЯЕТСЯ ИСТОЧНИКОМ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ПОМЕХ?
Основных источников импульсов перенапряжений - всего два.
1. Переходные процессы в электрической цепи, возникающие вследствии коммутации электроустановок и мощных нагрузок.
2. Атмосферный явления - разряды молнии во время грозы
ВОПРОС: КАК ОПАСНОЕ ИМПУЛЬСНОЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЕ МОЖЕТ ПОПАСТЬ В МОЮ СЕТЬ И НАРУШИТЬ РАБОТУ ОБОРУДОВАНИЯ?
Импульс перенапряжения может пройти непосредственно по электрическим проводам или шине заземления - это кондуктивный путь проникновения.
Электромагнитное поле, возникающее в результате импульса тока, индуцирует наведенное напряжение на всех металлических конструкциях, включая электрические линии - это индуктивный путь попадания опасных импульсов перенапряжения на защищаемый объект.
ВОПРОС: ПОЧЕМУ ПРОБЛЕМА ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ОСТРО ВСТАЛА ИМЕННО В ПОСЛЕДНЕЕ ВРЕМЯ?
Эта проблема приобрела актуальность в связи с интенсивным внедрением чувствительной электроники во все сферы жизни. Учитывая возросшее количество информационных линий (связь, телевидение, интернет, ЛВС и т.д.) как в промышленности, так и в быту, становится понятно, почему защита от импульсных перенапряжений и приобрела сейчас такую актуальность.
Защита от импульсного перенапряжения. Ограничитель перенапряжения - его виды и возможности
Чем опасно импульсное перенапряжение для бытовых электроприборов?
Изоляция любого электроприбора рассчитана на определенный уровень напряжения. Как правило электроприборы напряжением 220 - 380 В рассчитаны на импульс перенапряжения около 1000 В. А если в сети возникают перенапряжения с импульсом 3000 В? В этом случае происходит пробои изоляции. Возникает искра - ионизированный промежуток воздуха, по которому протекает электрический ток. В следствии этого - электрическая дуга, короткое замыкание и пожар.
Заметьте, что прибой изоляции может возникнуть, даже если у вас все приборы отключены от розеток. Под напряжением в доме все равно останутся электропроводка, распределительные коробки, те же розетки. Эти элементы сети также не защищены от импульсного перенапряжения.
Причины возникновения импульсного перенапряжения.
Одна из причин возникновения импульсных перенапряжений это грозовые разряды (удары молнии). Коммутационные перенапряжения которые возникают в результате включения/отключения мощной нагрузки. При перекосе фаз в результате короткого замыкания в сети.
Защита дома от импульсных перенапряжений
Избавиться от импульсных перенапряжений - невозможно, но для того чтобы предотвратить пробой изоляции существуют устройства, которые снижают величину импульсного перенапряжения до безопасной величины.
Такими устройствами защиты являются УЗИП - устройство защиты от импульсных перенапряжений.
Существует частичная и полная защита устройствами УЗИП.
Частичная защита
подразумевает защиту непосредственно от пробоя изоляции (возникновения пожара), в этом случае достаточно установить один прибор УЗИП на вводе электрощитка (защита грубого уровня).
При полной защите
УЗИП устанавливается не только на вводе, но и возле каждого потребителя домашней электросети (телевизора, компьютера, холодильника и т.д.) Такой способ установки УЗИП дает более надежную защиту электрооборудованию.
Я затрагивал вопрос про основные показатели получаемой электрической энергии из сети, согласно ГОСТ 13109-97. Переходите по ссылке и знакомьтесь подробнее. Здесь лишь повторю, что к ним относятся отклонения напряжения, провалы напряжения и перенапряжения.
Для защиты электрооборудования от первых двух показателей я рекомендовал Вам устанавливать стабилизаторы напряжения. Вот наглядный пример о том, для своего дома.
А вот про защиту электрооборудования и электропроводки от перенапряжений я как то упустил из виду. Поэтому тема данной статьи будет посвящена видам перенапряжений и их опасностям.
Итак, приступим.
Что такое перенапряжение?
Для начала давайте определимся, что же такое перенапряжение.
Перенапряжение — это импульс или волна напряжения, которое накладывается на номинальное напряжение сети.
Вот так примерно это выглядит.
Например, напряжение однофазной сети у нас составляет 220 (В). Напоминаю Вам, что это действующее значение напряжения. Если перевести его в амплитудное, умножив действующее напряжение на √2, то получим 310 (В). Так вот во время импульсных перенапряжений амплитудное значение напряжения может достигать значения до нескольких тысяч вольт. Длительность таких импульсных перенапряжений не велика — всего несколько милисекунд (мсек).
Какую опасность несут в себе перенапряжения? Примеры
Вот еще один пример пагубных последствий импульсных перенапряжений, который вывел из строя электронный «Энергомера» СЕ102.
А ведь мы иногда и не подразумеваем, что тот или иной электрический прибор вышел из строя по причине перенапряжения в сети, а ссылаемся на соответствующее качество производителя.
Причины возникновения и виды импульсных перенапряжений
Всего существует 3 вида импульсных перенапряжений:
- коммутационное
- грозовое (его еще называют атмосферным)
- электростатическое
Рассмотрим каждый вид отдельно.
1. Коммутационное перенапряжение
Коммутационные перенапряжения возникают при резком изменении установившегося режима работы электрической сети. Такое явление называют переходным процессом. Импульсы и волны при данном виде перенапряжений имеют высокую частоту: от десятков до сотен (кГц), а их значение достигает до нескольких тысяч вольт и в большей степени зависит от параметров электрической цепи (индуктивность, емкость), быстродействия коммутационных аппаратов и фазы тока во время коммутации.
Причины возникновения коммутационных перенапряжений:
- и других аппаратов защиты
- пуск или отключение от сети мощных
- включение и отключение от сети силовых трансформаторов
- включение или отключение от сети конденсаторных батарей
Например, при отключении от электрической сети небольшого трансформатора мощностью всего 1 (кВА) может возникнуть импульсное коммутационное перенапряжение порядка 2000 (В), т.е. вся запасенная энергия в обмотках трансформатора выбрасывается в электрическую сеть, что пагубно может сказаться на работу электрооборудования.
Представьте себе какое перенапряжение возникнет при коммутации силового трансформатора мощностью 400 (кВА)?
2. Атмосферное (грозовое) перенапряжение
Атмосферные (грозовые) перенапряжения относятся к природным явлениям, вызванные грозовыми разрядами.
Грозовые разряды — это мощное импульсное перенапряжение в десятки тысяч вольт и длительностью не более 1 (мс).
По общей статистике 90% молний имеют ток разряда порядка 40-60 (кА). Чуть меньше 1% молний имеют ток разряда 100 (кА) и выше.
Существуют прямые попадания молний в электрическую сеть (воздушную линию) или в молниеприемник, и удаленные попадания молний на расстоянии до 1500 м, при котором возникают импульсные перенапряжения. Смотрите картинки ниже.
На картинках выше волна перенапряжения (импульс) подписана двумя надписями, либо 10/350, либо 8/20. Эти волны (импульсы) имеют определенную форму и длину волны.
Как видно по графику, импульс 10/350 наиболее опасен для защищаемого объекта, чем 8/20, т.к. он в десятки раз дольше воздействует на электрическую сеть.
Еще несколько слов хотел бы сказать про перераспределение энергии грозового разряда. Принято считать, что 50% от первоначального импульса перенапряжения, при условии, что у нас в доме выполнена система молниезащиты и имеется (система , ), отводится в землю, а остальные 50% перераспределяются равномерно между всеми проводниками электрической сети, в том числе трубами и бытовыми коммуникациями.
3. Электростатическое перенапряжение
Еще один вид, который мы рассмотрим — это электростатическое перенапряжение. Чаще всего оно возникает в сухих средах путем скапливания электростатических зарядов, которые в свою очередь создают сильное электростатическое поле. Это очень не предсказуемый вид перенапряжений.
Например, если походить по ковру в , то мы сможем зарядиться до нескольких тысяч вольт. При касании любой проводящей конструкции (батарея, корпус компьютера) произойдет электрический разряд длительностью несколько наносекунд (нсек). Наиболее опасен данный вид перенапряжений для электронных деталей и компонентов электрических приборов и устройств.
Как защитить свой дом от перенапряжений?
Ну вот мы подошли к самому главному вопросу, как же защитить электрические приборы и или от вышеперечисленных импульсных перенапряжений.
Скажу сразу, что полностью избавиться от импульсных перенапряжений не получится. Наша цель — это лишь снизить значения импульсных перенапряжений до значений, не угрожающих нашему оборудованию.
Дело в том, что даже при правильном монтаже системы молниезащиты 50% мощности импульсного разряда уходит в землю, а остальные 50% перераспределяются по сетям и бытовыми коммуникациями дома. Поэтому для осуществления полной защиты от перенапряжений необходимо выполнить:
- повторное заземление PEN проводника на опоре ввода воздушной линии (ВЛ) в дом
- повторное заземление крюков и кронштейнов всех опор воздушной линии
- монтаж системы молниезащиты
- отдельный контур заземления для молниезащиты, который нужно соединить с основным контуром дома
- (ОСУП, ДСУП)
- ступенчатая защита с помощью специальных устройств УЗИП (устройство защиты от импульсных перенапряжений)
Более подробно о каждом способе защиты я расскажу Вам в отдельных статьях. Чтобы не пропустить выход новых статей, пройдите процедуру подписки.
P.S. На этом пожалуй и все. Надеюсь Вы поняли, чем опасны импульсные перенапряжения и что в обязательном порядке необходимо от них защищаться?
УЗИП (Уcтройства защиты от импульсных перенапряжений и помех) электрооборудования низковольтных силовых распределительных сетей до 1000 В предназначены для защиты от импульсных перенапряжений источниками которых являются:
- прямые удары молнии (ПУМ) в систему молниезащиты объекта или воздушную линию электропередач в непосредственной близости перед вводом в объект;
- межоблачные разряды или удары молнии в радиусе до нескольких километров вблизи от объектов и коммуникаций входящих и выходящих из объекта;
- коммутации индуктивных и емкостных нагрузок, короткие замыкания в распределительных электрических сетях высокого и низкого напряжения;
- электромагнитные помехи, создаваемые промышленными электроустановками и электронными приборами.
УЗИП – это защитное устройство от импульсных перенапряжений, предназначенное для установки как в городских квартирах, так и в частных домах. Оно обладает рядом неоспоримых достоинств: эффективностью, технической совершенностью и доступной стоимостью.
Эти три фактора делают УЗИП незаменимым оснащением для каждого дома и квартиры.
Кому нужны устройства защиты? Современные квартиры и офисы оборудуются большим количеством энергопотребляющей техники. Её совокупная стоимость обычно исчисляется десятками тысяч вложенных рублей. Поскупившись на покупку недорогих защитных устройств и надеясь на извечное русское «авось», вы рискуете потерять всё сразу: и компьютер, и плазменную панель, и стиральную машину, и электроплиту и всё то, что питается электроэнергией. Ведь достаточно всего одного скачка напряжения – и пиши пропало. Особенно остро вопрос безопасности стоит в загородных домах, оборудованных автономными системами электро- и водоснабжения, отопления, пожаротушения, видеонаблюдения и т.д. Только представьте, какие затраты вас подстерегают из-за беспечного отношения к электричеству! Что уж говорить о модных ныне системах «Умный дом», где всё завязано именно на стабильной работе электрической сети. Отнеситесь к собственной безопасности со всей аккуратностью. Ведь вы же не хотите понести колоссальные потери из-за какого-то каприза электричества?
Ограничитель перенапряжения предназначены для защиты от импульсных перенапряжение в результате грозовых разрядов или работой устройств с большой индуктивной нагрузкой (высоковольтные трансформаторы, большие электродвигатели с короткозамкнутым ротором)
Принцип действия ограничителя (УЗИП) основан на способности материала варистора при многократном увеличении напряжения пропускать электрический ток. Материал варистора утрачивает свои свойства, после нескольких разрядов. В большинстве серий УЗИП имеется возможность визуально проверить работоспособность варистора в индикаторном окне. В конструкцию ограничителя зачастую включен предохранитель для защиты от сверхтоков
Основные типы/классы УЗИП
Тип 1, класс В - используются при возможности непосредственного удара молний в линию электропередач или в землю в непосредственной близости от места установки.Остаточное импулсное перенапряжение на выходе 4-2,5 кВ.Очень рекомендуется при воздушном вводе, а при наличии молниеотвода установка обязательна. Устанавливается в специальном железном ящике вблизи ввода в здание или в вводно распределительном устройстве (ВРУ), или главном распределительном щите (ГРЩ).
Тип 2, класс С - используются в местах, в которых отсутствует угроза прямого удара молнии в непосредственной близости от места установки. По сравнению с Тип 1 имеют меньшую способность к защите от импульсных перенапряжений, рекомендуется устанавливать на вводе электроустановок и вводе в жилые помещения в качестве второго уровня защиты.Остаточное импулсное перенапряжение на выходе 2,5-1,5 кВ.Устанавливаются в распределительные щиты.
Тип 3, класс D - защита оборудования от остаточных токов перенапряжения, защита от несеметричных дифференциальных токов, защиты от высокочастотных помех, располагается в конечных распределительных щитах или, что лучше, не посредственно возле электроприборов. .Остаточное импулсное перенапряжение на выходе 1,5-0,8 кВ.Желательно чтоб от приборов находилось на растоянии не более 5 метров, а при наличии молниеотвода как можно ближе к электроприборам, так как ток в спусках молниеприемников расположеных снаружи здания индуцирует импульс перенапряжения в электропроводке.
При выборе защитных устройств на разрядниках или оксидно-цинковых варисторах необходимо обращать внимание на следующие параметры:
Номинальное рабочее напряжение Un - это номинальное действующее напряжение сети, для работы в которой предназначено защитное устройство.
Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение защитного устройства (максимальное рабочее напряжение) Uc - это наибольшее действующее значение напряжения переменного тока, которое может быть длительно (в течение всего срока службы) приложено к выводам защитного устройства.
Согласно ГОСТ и моей логике максимальное долговременное напряжение которое должен выдерживать УЗИП должно равнятся номинальному напряжению умноженному на кооифициент 1,6 для 220 вольт и 1,1 для 380 вольт и соответственно должно составлять 352 и 418 вольт. Это нужно для того чтоб в случае перенапряжений или обрыва нейтрали УЗИП не вышел из строя из-за срабатывания встроенной тепловой защиты или внешнего плавкого предохранителя.
У УЗИП с более высоким Uc соответственно выше остаточное напряжение на выходе Up, например у УЗИП с Uc 275 вольт остаточное напряжение составляет 1,5 кВ, а с Uc 385 вольт 1,9 кВ. Но если правильно сделать монтаж с Uc 385 вольт, то степень ограничения может получится даже лучше чем с неправильным монтажом при использовании УЗИП с Uc 275 вольт, но самое главное будет безопасно при временном перенапряжении.
Классификационное напряжение (параметр для варисторных УЗИП) - это действующее значение напряжения промышленной частоты, которое прикладывается к варисторному УЗИП для получения классификационного тока (обычно значение классификационного тока принимается равным 1,0 мА).
Импульсный ток Iimp - этот ток определяется пиковым значением Ipeak испытательного импульса и зарядом Q. Применяется для испытаний УЗИП класса I. Как правило, используется волна с формой 10/350 мкс.
Номинальный импульсный разрядный ток In - это пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, проходящего через защитное устройство. Ток данной величины защитное устройство может выдерживать многократно. Используется для испытания УЗИП класса II. При воздействии данного импульса определяется уровень защиты УЗИП. По этому параметру также производится координация других характеристик УЗИП, а также норм и методов его испытаний.
Максимальный импульсный разрядный ток Imax - это пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, который защитное устройство может пропустить один раз и не выйти из строя. Используется для испытания УЗИП класса II.
Сопровождающий ток If (параметр для УЗИП на базе разрядников) - это ток, который протекает через разрядник после окончания импульса перенапряжения и поддерживается самим источником тока, т.е. электроэнергетической системой. Фактически значение этого тока стремится к расчётному току короткого замыкания (в точке установки разрядника для данной конкретной электроустановки). Поэтому для установки в цепи «L-N; L-PE» нельзя применять газонаполненные (и другие) разрядники со значением If равным 100...400А. В результате длительного воздействия сопровождающего тока они будут повреждены и могут вызвать пожар. Для установки в данную цепь необходимо применять разрядники со значением If, превышающим расчётный ток короткого замыкания, т.е. желательно величиной от 2...3 кА и выше.
В системе ТТ при воздушном вводе нейтральный провод на вводе повторно не заземляется, во время грозы возможен обрыв нейтального провода и перехлестывание его фазным, в следствии чего возможно не контролируемое КЗ в цепи разрядника N-PE, If которого обычно равен 100...400А, если сопротивление заземления будет меньше 2,5 Ом. В подавляющем числе случаев реально токого быть не должно так как наврядли на практике получится что сумарное сопротивление заземления подстанции и местного заземления будет меньше 2,5 Ом. Это так для информации, чтоб имели ввиду.
Уровень защиты Up - это максимальное значение падения напряжения на УЗИП при протекании через него импульсного тока разряда. Параметр характеризует способность устройства ограничивать появляющиеся на его клеммах перенапряжения. Обычно определяется при протекании номинального импульсного разрядного тока In.
Время срабатывания. Для оксидно-цинковых варисторов его значение обычно не превышает 25 нс. Для разрядников разной конструкции время срабатывания может находиться в пределах от 100 наносекунд до нескольких микросекунд.
Существует ряд других параметров, которые тоже учитываются при выборе УЗИП: ток утечки (для варисторов), максимальная энергия, выделяемая на варисторе, ток срабатывания предохранителей (для защитных устройств со встроенными предохранителями).
Для правильной и согласованной работы УЗИП разных ступеней длина проводников между ними должна быть не меньше определенной длины для обеспечения необходимой временной задержки в нарастании импульса перенапряжения на следующей ступени защиты. Благодаря этой задержке более мощная ступень УЗИП успевает сработать, чем защищает от перегрузки следующую, более низковолтную ступень УЗИП.
Расстояние проводников между УЗИП на разрядниках и следующего за ним УЗИП на варисторах должно быть не менее 10 метров. Расстояние проводников между УЗИП на варисторах и следующего за ним УЗИП на варисторах следующей ступени должно быть не менее 5 метров. Расстояние проводников между одинаковыми по характеристикам УЗИП на варисторах одной ступени должно быть не менее 1 метра.
Если длина проводников между УЗИП меньше требуемой, устанавливают индуктивности для компенсации недостающей длины проводника из расчета 0,5-1 мкГ/м, в зависимости от сечения провода, если фазовые и защитные провода находятся в одном кабеле. Если провода проложены отдельно, то величина индуктивности будет большей. В продаже есть готовые индуктивности эквивалентные 6-15 метрам.
Если от УЗИП до защищаемых электроприборов более 10 метров, например если последняя ступень установлена в щите, желательно установить повторный УЗИП вблизи защищаемых электроприборов, а если расстояние более 30 метров то установка повторного УЗИП вблизи защищаемых электроприборов обязательна.
Каждую ступень УЗИП к заземляющему устройству (ЗУ) нужно стремится подключать отдельным проводником. Такое подключение позволяет свести к минимуму бросок потенциала на корпусах электроприборов в результате срабатывания устройств защиты от импульсного перенапряжения, хотя для приборов лучше чтоб УЗИП подключалось к шине заземления щита где установлен УЗИП, но защита человека главней.
Зонная концепция защиты.
Международной Электротехнической Комиссией (МЭК) разработаны стандарты, которые формируют «зонную концепцию защиты», одним из основных принципов является деление объекта на условные защитные зоны с точки зрения прямого и непрямого воздействия молнии.
Зона 0А - зона внешней среды объекта, все точки которой могут подвергаться воздействию прямого удара молнии (иметь непосредственный контакт с каналом молнии) и возникающего при этом электромагнитного поля.
Зона 0В - зона внешней среды объекта, точки которой не подвергаются воздействию прямого удара молнии, т.к. находятся в пространстве, защищенном системой внешней молниезащиты. Однако в данной зоне имеется воздействие неослабленного электромагнитного поля.
Зона 1 - внутренняя зона объекта, точки которой не подвергаются воздействию прямого удара молнии. В этой зоне во всех токопроводящих частях имеют значительно меньшее значение по сравнению с зонами 0А и 0В. Электромагнитное поле также снижено по сравнению с зонами 0А и 0В за счёт экранирующих свойств строительных конструкций.
Последующие зоны (Зона 2 и т.д.). Если требуется дальнейшее снижение разрядных токов или электромагнитного поля в местах размещения чувствительного оборудования, то необходимо проектировать так называемые последующие зоны. Критерий для этих зон определяется соответственно общими требованиями по ограничению внешних воздействий, влияющих на защищаемую систему. Имеет место общее правило, по которому с увеличением номера защитной зоны уменьшаются влияние электромагнитного поля и грозового тока. На границах раздела отдельных зон необходимо обеспечить защитное последовательное соединение всех металлических частей, с обеспечением их периодического контроля.
Особенности монтажа УЗИП в щитах -
Молниезащита и громоотвод - нажмите на ссылку для ознакомления.
