Сучасні побутові прилади часто мають у своїх блоках живлення вбудований захист від імпульсних перенапруг, проте ресурс типових рішень на варисторах вичерпується максимум 30 випадками спрацьовування, та й то якщо струм при позаштатній ситуації не перевищить 10 кА. Рано чи пізно вбудований у прилад захист може підвести, а незахищені від перенапруги прилади просто вийдуть з ладу і принесуть своїм власникам масу клопоту. А тим часом причинами небезпечних імпульсних перенапруг можуть стати: гроза, ремонтні роботи, кидки при комутації потужних реактивних навантажень і мало що ще.

Для запобігання таким неприємним ситуаціям і призначені пристрої захисту від імпульсних перенапруг (скорочено - УЗІП), які приймають він аварійний імпульс перенапруги, не даючи йому вивести з ладу включені в мережу електричні прилади.

Принцип дії УЗІП досить простий: у звичайному режимі струм усередині пристрою тече через шунт, що проводить, і далі через навантаження, підключену в цей момент до мережі; але між шунтом і заземленням встановлений захисний елемент - варистор або розрядник, опір якого в нормальному режимі становить мегаоми, і якщо раптом виникне перенапруга, то захисний елемент миттєво перейде в стан, що проводить, і струм спрямується через нього до заземлення.

У момент спрацьовування УЗІП, опір у петлі фаза-нуль знизиться до критичного, і побутова техніка буде врятована, тому що лінія буде практично коротко шунтована через захисний елемент УЗІП. Коли напруга в лінії стабілізується, захисний елемент УЗІП знову перейде в непровідний стан і струм до навантаження знову потече через шунт.

Існують і широко поширені три класи пристроїв захисту від імпульсних перенапруг:

Пристрої захисту класу I призначені для захисту від імпульсів перенапруг з характеристикою хвилі 10/350 мкс, це означає, що максимально допустимий час наростання імпульсу перенапруги до максимуму та спаду до номінального значення не повинен перевищувати 10 та 350 мікросекунд відповідно; при цьому допустимо короткочасний струм від 25 до 100 кА, такі імпульсні струми виникають при розряді блискавки, коли вона потрапляє в ЛЕП на відстані ближче ніж 1,5 км до споживача.

Пристрої цього класу виконуються на розрядниках, які установка здійснюється у головному розподільчому щиті чи вводно-распределительном пристрої на введенні у будівлю.

УЗІП класу II призначені для захисту від короткочасних імпульсних перешкод і встановлюються в розподільні щити. Вони здатні забезпечити захист від імпульсів перенапруги з параметрами 8/20 мкс при силі струму від 10 до 40 кА. В УЗІП цього класу застосовуються варистори.

Оскільки ресурс варисторів обмежений, то в конструкцію УЗІП на їх основі доданий механічний запобіжник, який просто відпаює шунт від варистора, коли його опір не буде адекватним безпечному захисному режиму. Це, по суті, тепловий захист, що оберігає пристрій від перегріву та займання. Спереду на модулі є пов'язаний із запобіжником колірний індикатор його стану, і якщо варистор потрібно буде замінити, це легко можна буде зрозуміти.

Аналогічно влаштовані і УЗІП класу III, з тим лише відмінністю, що максимальний струм внутрішнього варистора не повинен перевищити 10 кА.

Такі ж параметри мають і вбудовані в побутову техніку традиційні схеми імпульсного захисту, однак, при дублюванні їх зовнішнім УЗІП класу III, ймовірність передчасної відмови техніки зводиться до мінімуму.

Задля справедливості варто відзначити, що для надійного захисту обладнання важливо встановити УЗІПи як I, так і II та III класів захисту. Це необхідно дотриматися, оскільки потужне УЗІП класу I не спрацює при коротких імпульсах невисокого перенапруги просто через свою малу чутливість, а менш потужне не впорається з великим струмом, з яким впорається УЗІП класу I.

Класифікація та застосування УЗІП

Зазвичай УЗІП на базі варисторів виготовляються із кріпленням на DIN рейку. Згорілий варистор можна замінити простим вилученням модуля з корпусу УЗІП та встановленням нового.

Практика застосування

Для надійного захисту об'єкта від впливу перенапруг, в першу чергу необхідно створити ефективну та вирівнювання потенціалів. При цьому потрібно перейти на системи заземлення TN-S або TN-CS із розділеними нульовим та захисним провідниками.

Наступним кроком має стати встановлення захисних пристроїв. Під час встановлення УЗІП необхідно, щоб відстань між сусідніми ступенями захисту була не менше 10 метрів по кабелю електроживлення. Виконання цієї вимоги є дуже важливим для правильної послідовності спрацьовування захисних пристроїв.

Якщо для підключення застосовується повітряна лінія, у вхідному щиті на стовпі краще використовувати УЗІП на основі розрядників та плавкі вставки. У головному щиті будівлі ставляться варисторні УЗІП класу I або II, а в щитках на поверхах ставляться УЗІП ІІІ класу. Якщо необхідно додатково захистити обладнання, то в розетки включаються УЗІП у вигляді вставок та подовжувачів.

Висновки

Наприкінці слід сказати, що це перелічені заходи, звісно, ​​знижують ймовірність поразки РЕА і людей підвищеним напругою, але є панацеєю. Тому у разі грози краще відключати найбільш відповідальні вузли, якщо це, звичайно, можливо.

Якщо у вашому будинку встановлено безліч дорогої побутової техніки, краще подбати про організацію комплексного захисту електромережі. У цій статті ми розповімо про пристрої захисту від імпульсних перенапруг, навіщо вони потрібні, які бувають і як встановлюються.

Природа імпульсних перенапруг та їх вплив на техніку

Багатьом з дитинства знайома метушня з відключенням від мережі побутових електроприладів при перших ознаках грози, що насувається. Сьогодні електрообладнання міських мереж стало досконалішим, через що багато хто нехтує елементарними пристроями захисту. Водночас, проблема не зникла зовсім, побутова техніка, особливо в приватних будинках, все ще знаходиться в зоні ризику.

Характер виникнення імпульсних перенапруг (ІП) може бути природним та техногенним. У першому випадку ІП виникають через попадання блискавки в повітряні ЛЕП, причому відстань між точкою попадання і ризиками споживачами може становити до декількох кілометрів. Можливий також удар у радіощогли та блискавковідводи, підключені до основного заземлюючого контуру, у цьому випадку в побутовій мережі з'являється наведена перенапруга.

1 - віддалений удар блискавки в ЛЕП; 2 - споживачі; 3 - контур заземлення; 4 - близький удар блискавки в ЛЕП; 5 - прямий удар блискавки в громовідвід

Техногенні ІП непередбачувані, вони виникають у результаті комутаційних перевантажень на трансформаторних та розподільчих підстанціях. При несиметричному підвищенні потужності (тільки на одній фазі) можливий різкий стрибок напруги передбачити таке майже неможливо.

Імпульсні напруження дуже короткі за часом (менше 0,006 с), вони з'являються в мережі систематично і найчастіше проходять непомітно для спостерігача. Побутова техніка розрахована витримувати перенапруги до 1000 В, такі з'являються найчастіше. При більш високій напрузі гарантований вихід з ладу блоків живлення, можливий також пробій ізоляції в проводці будинку, що призводить до багатьох коротких замикань та пожежі.

Як влаштований і як працює УЗІП

УЗІП, залежно від класу захисту, може мати напівпровідниковий пристрій на варисторах або мати контактний розрядник. У нормальному режимі УЗІП працює в режимі байпасу, струм усередині нього протікає через шунт, що проводить. Шунт з'єднаний із захисним заземленням через варистор або двома електродами зі строго нормованим зазором.

При стрибку напруги, навіть дуже нетривалому, струм проходить через ці елементи і розтікається по заземленню або компенсується різким падінням опору в петлі фаза-нуль (коротке замикання). Після стабілізації напруги розрядник втрачає пропускну здатність і пристрій знову працює в нормальному режимі.

Таким чином, УЗІП на деякий час замикає ланцюг, щоб надлишок напруги міг перетворитися на теплову енергію. Через пристрій проходять значні струми — від десятків до сотні кілоампер.

У чому різниця між класами захисту

Залежно від причин виникнення ІП, розрізняють дві характеристики хвилі підвищеної напруги: 8/20 та 10/350 мікросекунд. Перша цифра – це час, за який ІП набирає максимального значення, друга – час спаду до номінальних значень. Як видно, другий тип перенапруг більш небезпечний.

Пристрої I класу призначені для захисту від ІП з характеристикою 10/350 мкс, що найчастіше виникають при розряді блискавки в ЛЕП ближче ніж 1500 м до споживача. Пристрої здатні швидко пропустити через себе струм від 25 до 100 кА, практично всі прилади I класу засновані на розрядниках.

УЗІП II класу орієнтовані компенсацію ІП з характеристикою 8/20 мкс, пікові значення струму у яких коливаються від 10 до 40 кА.

Клас захисту III призначений для компенсації перенапруг зі значеннями струму менше 10 кА при характеристиці ІП 8/20 мкс. Пристрої класу захисту ІІ та ІІІ засновані на напівпровідникових елементах.

Може здатися, що достатньо встановлення лише пристроїв класу I, як найбільш потужних, але це не так. Проблема в тому, що чим нижній поріг пропускного струму, тим менш чутливий УЗІП. Іншими словами: при коротких і відносно низьких значеннях ІП потужний УЗІП може не спрацювати, а чутливіший не впорається зі струмами такої величини.

Пристрої з класом захисту ІІІ розраховані на усунення найнижчих ІП — лише кілька тисяч вольт. Вони повністю аналогічні за характеристиками пристроїв захисту, які встановлюють виробники в блоках живлення побутової техніки. При дублюючій установці вони першими приймають він навантаження і запобігають спрацьовування УЗІП в приладах, ресурс яких обмежений 20-30 циклами.

Чи є потреба в УЗІП, оцінка ризиків

Повний перелік вимог до організації захисту від ІП викладено у МЕК 61643-21, визначити обов'язковість встановлення можна за стандартом МЕК 62305-2, згідно з яким встановлюється конкретна оцінка ступеня ризику удару блискавки та наслідків, що їм викликано.

В цілому при електропостачанні від повітряних ЛЕП установка УЗІП І класу майже завжди краща, якщо тільки не було виконано комплекс заходів щодо зниження впливу гроз на режим електропостачання: повторне заземлення опор, PEN-провідника та металевих несучих елементів, пристрій громовідводу з окремим контуром заземлення, установка систем зрівнювання потенціалів.

Найпростіший спосіб оцінити ризик - зіставити вартість незахищеної побутової техніки та пристроїв захисту. Навіть у багатоповерхових будинках, де перенапруги мають дуже низькі значення при характеристиці 8/20, ризик пробою ізоляції або виходу з ладу приладів досить великий.

Встановлення пристроїв у ГРЩ

Більшість УЗІП мають модульне виконання та можуть бути встановлені на DIN-рейку 35 мм. Єдина вимога – щит для встановлення УЗІП повинен мати металевий корпус із обов'язковим підключенням до захисного провідника.

При виборі УЗІП, крім основних робочих характеристик, слід враховувати також номінальний робочий струм у режимі байпасу, він повинен відповідати навантаженню у електромережі. Інший параметр — максимальна напруга обмеження, вона не повинна бути нижчою за найвище значення в рамках добових коливань.

УЗІП підключаються послідовно до однофазної або трифазної мережі живлення, відповідно через двополюсний і чотириполюсний автоматичний вимикач. Його установка необхідна у разі спаювання електродів розрядника чи пробою варистора, що викликає постійне коротке замикання. На верхні клеми УЗІП підключають фази та захисний провідник, на нижні - нульовий.

Приклад підключення УЗІП: 1 - введення; 2 - автоматичний вимикач; 3 - УЗІП; 4 - шина заземлення; 5 - контур заземлення; 6 - лічильник електроенергії; 7 - диференціальний автомат; 8 - до автоматів споживачів

При установці кількох захисних пристроїв з різними класами захисту потрібне їх узгодження за допомогою спеціальних дроселів, послідовно підключених з УЗІП. Захисні пристрої вбудовуються у ланцюг за зростанням класу. Без узгодження чутливіші УЗІП прийматимуть основне навантаження на себе і раніше вийдуть з ладу.

Установки дроселів можна уникнути, якщо довжина кабельної лінії між пристроями перевищує 10 метрів. З цієї причини УЗІП І класу монтують на фасаді ще до лічильника, захищаючи від перенапруг обліковий вузол, а другий та третій клас встановлюють, відповідно, на ВРУ та поверхових/групових щитках.

Стандарт ГОСТ 13109-97 не дає жодних граничних та допустимих значень імпульсу, а лише дає нам форму цього імпульсу та визначення. Ми вважаємо при вимірах, що у мережі імпульсів повинно траплятися. І якщо вони будуть, то треба буде розбиратися та шукати винних. При наших вимірах у мережах 0,4 кВ ми з проблемами імпульсу не стикалися. Це й не дивно - міряючи на боці 0,4 кВ будь-який імпульс поглинутися або зріжеться обмежувачами перенапруг, але це тема для іншої статті. Але як то кажуть попереджений, значить озброєний. Тому дамо в статті те, що знаємо.

ось ці визначення з ГОСТ 13109-97:

імпульс напруги - різка зміна напруги в точці електричної мережі, за яким слідує відновлення напруги до початкового або близького до нього рівня за проміжок часу до кількох мілісекунд;

- Амплітуда імпульсу - максимальне миттєве значення імпульсу напруги;

- Тривалість імпульсу - інтервал часу між початковим моментом імпульсу напруги та моментом відновлення миттєвого значення напруги до початкового або близького до нього рівня;

Від чого з'являються імпульси?

Імпульсні напруження викликаються грозовими явищами, і навіть перехідними процесами при комутаціях у системі електропостачання. Грозові та комутаційні імпульси напруги суттєво різняться за характеристиками та формою.

Імпульсна напруга - це різка зміна напруги в точці електричної мережі, за яким слідує відновлення напруги до початкового або близького до нього рівня протягом 10-15 мкс (грозовий імпульс) і 10-15 мс (комутаційний імпульс). І якщо тривалість фронту грозового імпульсу струму значно менше, ніж комутаційного, то амплітуда грозового імпульсу то, можливо кілька порядків вище . Виміряне максимальне значення струму розряду блискавки залежно з його полярності може змінюватися від 200 до 300 кА, що рідко. Зазвичай цей струм досягає 30-35 кА.

На малюнку 1 наведена осцилограма імпульсу напруги, а малюнку 2 – його загальний вигляд.

Удари блискавки в лінії електропередачі або поблизу них у землю призводять до появи імпульсної напруги, небезпечної для ізоляції ліній та електрообладнання підстанцій. Основною причиною виходу з ладу ізоляції об'єктів електроенергетики, перерв електропостачання та витрат на його відновлення є ураження блискавкою цих об'єктів.

Малюнок 1 - Осцилограма імпульсу напруги

Рисунок 2 - Загальний вигляд імпульсу напруги

Грозові імпульси – поширене явище. При розрядах блискавка потрапляє в грозозахисний пристрій будівель та підстанцій, з'єднаних кабелями високої та низької напруги, лініями зв'язку та управління. При одній блискавці можуть спостерігатися до 10 імпульсів, що йдуть один за одним з інтервалом від 10 до 100 мс. При ударі блискавки в пристрій, що заземлює, його потенціал щодо віддалених точок підвищується і досягає мільйона вольт. Це сприяє тому, що в петлях, обладнаних кабельними та повітряними зв'язками, індукується напруга від кількох десятків вольт до сотень кіловольт. При попаданні блискавки в повітряні лінії вздовж них поширюється хвиля перенапруги, що досягає збірних шин підстанції. Хвиля перенапруги обмежується або міцністю ізоляції при її пробої, або залишковою напругою захисних розрядників, зберігаючи при цьому залишкове значення, що досягає десятків кіловольт.

Комутаційні імпульси напруги виникають при індуктивних комутаціях (трансформатори, двигуни) і ємнісних (конденсаторні батареї, кабелі) навантаженнях. Виникають вони при КЗ та його відключенні. Значення комутаційних імпульсів напруги залежать від типу мережі (повітряна або кабельна), виду комутації (увімкнення або відключення), характеру навантаження та типу комутаційного пристрою (запобіжник, роз'єднувач, вимикач). Комутаційні імпульси струму і напруги мають коливальний загасаючий характер, що повторюється, обумовлений горінням дуги.

Значення комутаційних імпульсів напруг тривалістю лише на рівні 0,5 амплітуди імпульсу (див. рис. 3.22), що дорівнює 1-5 мс, наведені у таблиці .

Імпульс напруги характеризується амплітудою Uімп.а, максимальним значенням напруги Uімп, тривалістю переднього фронту, тобто. інтервалом часу від початку імпульсу tпоч до моменту досягнення ним максимального (амплітудного) значення tамп та тривалістю імпульсу напруги за рівнем 0,5 його амплітуди tамп 0,5. Дві останні часові характеристики показують у вигляді дробу ∆ tамп / tімп 0,5.

Значення комутаційних імпульсних напруг

Список використаних джерел

1.Кужекін І.П. , Ларіонов В.П., Прохоров В.М. Блискавка та блискавкозахист. М: Знак, 2003

2. Карташев І.І. Управління якістю електроенергії/І.І. Карташів, В.М. Тульський, Р.Г. Шамонів та ін: під ред. Ю.В. Шарова. - М.: Видавничий дім МЕІ, 2006. - 320 с.: Іл.

3. ГОСТ 13109-97. Електрична енергія. Сумісність технічних засобів електромагнітна. Норми якості електричної енергії у системах електропостачання загального призначення. Введ. 1999-01-01. Мінськ: ІПК Вид-во стандартів, 1998. 35 з.