Импульсные перенапряжения. Импульсная защита
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
Стандарт ГОСТ 13109-97 не дает никаких предельных и допустимых значений импульса, а только дает нам форму этого импульса и определение. Мы полагаем при измерениях, что в сети импульсов не должно случаться. И если они будут, то нужно будет разбираться и искать виноватых. При наших измерениях в сетях 0,4 кВ мы с проблемами импульса не сталкивались. Это и не мудрено — меряя на стороне 0,4 кВ любой импульс поглотиться или срежется ограничителями перенапряжений, но это тема для другой статьи. Но как говорится предупрежден, значит вооружен. Поэтому дадим в статье, то что знаем.
вот эти определения из ГОСТ 13109-97 :
импульс напряжения - резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд;
— амплитуда импульса - максимальное мгновенное значение импульса напряжения;
— длительность импульса - интервал времени между начальным моментом импульса напряжения и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до первоначального или близкого к нему уровня;
От чего возникают импульсы?
Импульсные напряжения вызываются грозовыми явлениями, а также переходными процессами при коммутациях в системе электроснабжения. Грозовые и коммутационные импульсы напряжения существенно различаются по характеристикам и форме.
Импульсное напряжение – это резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня в течение 10-15 мкс (грозовой импульс) и 10-15 мс (коммутационный импульс). И если длительность фронта грозового импульса тока на порядок меньше, чем коммутационного, то амплитуда грозового импульса может быть на несколько порядков выше . Измеренное максимальное значение тока разряда молнии в зависимости от его полярности может изменяться от 200 до 300 кА, что происходит редко. Обычно этот ток достигает 30-35 кА .
На рисунке 1 приведена осциллограмма импульса напряжения, а на рисунке 2 – его общий вид.
Удары молнии в линии электропередачи или вблизи них в землю приводят к появлению импульсных напряжений, опасных для изоляции линий и электрооборудования подстанций. Основной причиной выхода из строя изоляции объектов электроэнергетики, перерывов электроснабжения и затрат на его восстановление является поражение молнией этих объектов.
Рисунок 1 — Осциллограмма импульса напряжения
Рисунок 2 — Общий вид импульса напряжения
Грозовые импульсы – распространенное явление. При разрядах молния попадает в грозозащитное устройство зданий и подстанций, соединенных кабелями высокого и низкого напряжения, линиями связи и управления. При одной молнии могут наблюдаться до 10 импульсов, следующих друг за другом с интервалом от 10 до 100 мс. При ударе молнии в заземляющее устройство его потенциал относительно удаленных точек повышается и достигает миллиона вольт. Это способствует тому, что в петлях, оборудованных кабельными и воздушными связями, индуцируется напряжение от нескольких десятков вольт до многих сотен киловольт. При попадании молнии в воздушные линии вдоль них распространяется волна перенапряжения, которая достигает сборных шин подстанции. Волна перенапряжения ограничивается либо прочностью изоляции при ее пробое, либо остаточным напряжением защитных разрядников, сохраняя при этом остаточное значение, достигающее десятков киловольт.
Коммутационные импульсы напряжения возникают при коммутациях индуктивных (трансформаторы, двигатели) и емкостных (конденсаторные батареи, кабели) нагрузках. Возникают они при КЗ и его отключении. Значения коммутационных импульсов напряжения зависят от типа сети (воздушная или кабельная), вида коммутации (включение или отключение), характера нагрузки и типа коммутационного устройства (предохранитель, разъединитель, выключатель). Коммутационные импульсы тока и напряжения имеют колебательный затухающий повторяющийся характер, обусловленный горением дуги.
Значения коммутационных импульсов напряжений длительностью на уровне 0,5 амплитуды импульса (см. рис. 3.22), равной 1-5 мс, приведены в таблице .
Импульс напряжения характеризуется амплитудой U имп.а, максимальным значением напряжения U имп, длительностью переднего фронта, т.е. интервалом времени от начала импульса t нач до момента достижения им максимального (амплитудного) значения t амп и длительностью импульса напряжения по уровню 0,5 его амплитуды t амп 0,5 . Две последние временные характеристики показывают в виде дроби ∆t амп /t имп 0,5 .
Значение коммутационных импульсных напряжений
Список использованных источников
1.Кужекин И.П. , Ларионов В.П., Прохоров В.Н. Молния и молниезащита. М.: Знак, 2003
2. Карташев И.И. Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев, В.Н. Тульский, Р.Г. Шамонов и др.: под ред. Ю.В. Шарова. – М. : Издательский дом МЭИ, 2006. – 320 с.: ил.
3. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 1999-01-01. Минск: ИПК Изд-во стандартов, 1998. 35 с.
Ограничитель импульсных перенапряжений - это один из наиболее широко известных высоковольтных приборов, использующийся для защиты сети.
Описание приспособления
Для начала стоит объяснить, из-за чего, в принципе, возникают импульсные перенапряжения и чем они опасны. Причиной появления этого процесса является нарушение в атмосферном или коммутационном процессе. Такие дефекты вполне способны нанести огромный ущерб электрическому оборудованию, которое подвергнется такому воздействию.
Тут стоит привести пример на громоотводе. Это устройство отлично справляется с отводом сильного разряда, бьющего в объект, однако оно никак не сможет помочь, если разряд попадет в сеть через воздушные линии. Если такое происходит, то первый же проводник, который попадется на пути у такого разряда, выйдет из строя, а также может стать причиной поломки другого электрического оборудования, которое подключено к этой же электрической сети. Элементарная защита - отключение всех приборов во время грозы, однако в некоторых случаях это невозможно, а потому были изобретены такие устройства, как ограничители перенапряжений ОПН.
Что даст использование устройства
Если говорить об обычных средствах защиты, то их конструктивное исполнение несколько хуже, чем у ОПН. При обычном исполнении устанавливаются карборундовые резисторы. Дополнительной конструкцией являются искровые промежутки, которые соединены между собой последовательным образом.
В ограничителях импульсных перенапряжений же имеются такие элементы, как нелинейные транзисторы. Основой для этих элементов стал оксид цинка. Таких деталей имеется несколько, и все они объединяются в одну колонку, которая помещается в специальный корпус из такого материала, как фарфор или полимер. Это обеспечивает полностью безопасное использование таких устройств, а также надежно защищает их от любых внешних воздействий.
Тут важно отметить, что основная особенность ограничителя перенапряжения - это конструкция оксидно-цинковых резисторов. Такое исполнение позволяет сильно расширить функции, которые может выполнять устройство.
Технические параметры
Как и у любого другого устройства, у ОПН имеется основная характеристика, которая определяет его работоспособность и качество. В данном случае таким показателем стала величина рабочего напряжения, которое может подводиться к клеммам устройства без какого-либо ограничения в плане времени.
Имеется еще одна характеристика - ток проводимости. Это значение тока, который проходит через прибор под воздействием напряжения. Измерить данный показатель можно лишь в условиях реального использования устройства. Основными числовыми показателями данного параметра являются емкость и активность. Общий показатель этой характеристики может достигать нескольких сотен микроампер. По полученному значению этой характеристики оценивается работоспособность ограничителя перенапряжений.
Описание устройства ОПН
Для того чтобы изготовить данное устройство, производители используют те же электротехнические и конструкторские методы, которые применяются в изготовлении других продуктов. Это наиболее заметно при осмотре размеров и материалов, использующихся для изготовления корпуса. Внешний вид также имеет некоторую схожесть с другими устройствами. Однако стоит отметить, что отдельного внимания удостаиваются такие вещи, как установка ограничителя перенапряжения, а также его дальнейшее подключение к общим электроустановкам потребительского типа.
Имеется несколько требований, которые предъявляются именно к этому классу устройств. Корпус ОПН должен быть полностью защищен от прямого прикосновения человека. Должен быть полностью исключен риск того, что устройство загорится из-за возможных перегрузок. Если элемент выйдет из строя, то это не должно повлечь за собой короткого замыкания в линии.
Назначение и применение ОПН
Основное предназначение нелинейных ограничителей перенапряжения - изоляции электрического оборудования от атмосферных или коммутационных перенапряжений. Данное устройство относится к группе высоковольтных приборов.
В этих аппаратах отсутствует такой раздел, как искровой промежуток. Если сравнивать диапазон действия ОПН и обычного то ограничитель способен выдерживать более глубокие перепады напряжения. Основная задача данного устройства - выдерживать эти нагрузки без ограничения по времени. Еще одно существенное отличие ограничителя перенапряжения от обычного вентильного заключается в том, что размеры, а также физический вес конструкции в данном случае гораздо ниже. Наличие такого элемента, как крышка из фарфора или полимеров, привело к тому, что внутренняя часть устройства надежно защищена от внешних воздействий окружающей среды.
ОПН-10
Устройство этого прибора несколько отличается от обычного ОПН. В данном варианте применяется колонка варисторов, которые заключены в покрышку. Для создания покрышки в данном случае используется уже не фарфор или полимеры, а стеклопластиковая труба, на которую опрессована оболочка из трекингостойкой кремнийорганической резины. Кроме того, колонка варисторов имеет алюминиевые выводы, которые поджаты с двух сторон, а также ввернуты внутрь трубы.
В современном доме находится немалое количество бытовой техники, приборов и электроники. При этом большинство частных домов получают энергию с помощью воздушной линии электропередачи (ЛЭП). В такой ситуации имеет смысл устройство защиты от импульсных перенапряжений, возникающих в сети при ударах молнии.
Ужасно выглядит удар молнии в домПричины возникновения и характер импульсов перенапряжения
Многие пожилые люди, покидая свое жилище на продолжительный срок, по старинке вынимают из розеток шнуры всех электроприборов, опасаясь молнии. В настоящее время линии электропередач относительно защищены от атмосферных воздействий, а в бытовой электронике имеется элементарная защита от импульсов напряжением до нескольких тысяч вольт.
Таким образом, в многоквартирном доме, к которому электроснабжение подается подземным кабелем, проблема защиты от грозы в значительной степени решена.
В случае энергоснабжения по воздуху необходимо принимать комплексные меры по защите от удара молнии.
Негативное воздействие атмосферного электричества может возникать:
- при ударе молнии непосредственно в линию электропередачи рядом с домом, что приводит к возникновению импульса 10/350мкс (первое значение – время роста импульса, второе – время спада);
- при попадании молнии в ЛЭП на дальнем расстоянии и образовании волны с характеристикой 8/20мкс;
- при грозовом разряде в непосредственной близости и наведении на линию электропередачи электромагнитного импульса.
Варианты схем удара молнии Классификация защиты от импульсов перенапряжения
Знакомые всем искровые разрядники Заметим, что высоковольтные импульсы в сети могут также возникать в результате аварии на электрической подстанции или обрыва нулевого провода в трехфазной сети. В результате перечисленных воздействий отказывает бытовая техника, а также электрические коммутационные приборы. Если изоляция проводки в доме будет пробита, произойдет короткое замыкание, возгорание и пожар.
Вентильные разрядники на электрической подстанции Основу ограничителя перенапряжения составляет варистор, то есть резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от приложенного напряжения. ОПН более надежны, имеют меньшие размеры. В конкретной ситуации имеется возможность установить ограничители импульсного перенапряжения с наиболее подходящей характеристикой.
В низковольтных сетях, которые обеспечивают питание жилых домов, используют устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Эти малогабаритные приборы модульного типа делятся на три класса и могут быть применены владельцами жилья в собственных домах и квартирах.
Модульные УЗИП для монтажа в электрощите Устройства I класса устанавливаются на вводном щите жилого дома. Они предназначены для защиты от близких ударов молнии (до 1,5км) и пропускают через себя токи от 25 до 100 тысяч ампер с характеристикой импульса 10/350мкс. УЗИП II класса монтируются в распределительном щите в качестве второй ступени защиты от удара молнии и пропускают через себя токи 10-40 тысяч ампер с характеристикой импульса 8/20мкс.
Устройства III класса гасят импульсы с характеристикой 8/20мкс и рассчитаны на токи до 10 кА. Они устанавливаются непосредственно у электроприборов. По конструктивному исполнению УЗИП III класса могут изготавливаться в виде модулей и монтироваться на din-рейку, а также встраиваться в розетку или в вилку потребителя энергии.
Нужна ли установка УЗИП в Вашем случае?
Стандартная электрическая схема подключения УЗИП в трехфазной сети Классическая схема подключения УЗИП предусматривает последовательную установку устройств всех трех классов. Если ограничиться только устройством класса I, то оно может не сработать при относительно слабых импульсах. Наоборот, самое чувствительное УЗИП класса III не выполнит свою задачу при мощном воздействии.
Существуют стандарты и методики для расчета степени риска удара молнии и оценки последствий. В общем виде УЗИП класса I можно не устанавливать, если опоры линии электропередачи имеют заземление, заземлен нулевой провод, установлен громоотвод, и реализована система выравнивания потенциалов.
Однако, не обладая специальными знаниями в области электроснабжения, куда проще обеспечить стандартную схему защиты от импульсных скачков напряжения.
При этом в любом случае отрицательное воздействие грозового разряда сильно снижается при установке громоотвода. Если Вы этого еще не сделали, читайте статью
Как работают различные виды УЗИП
Устройства защиты от импульсных перенапряжений используют в своей конструкции разрядники или полупроводниковые приборы – варисторы. Последние нагреваются при срабатывании и плохо работают при повторении высоковольтных воздействий. Варистор должен остыть, чтобы вернуться в рабочее состояние. УЗИП модульного типа часто имеют индикаторы работоспособности и могут быть заменены при выходе из строя.
Электрическая схема работы УЗИП При нормальном напряжении в сети ток проходит по проводникам к нагрузке. Во время скачка напряжения разрядник открывается и пропускает ток на землю. После возвращения напряжения в сети к рабочим значениям, элементы УЗИП снова закрываются, и электроснабжение протекает в обычном режиме.
Во время срабатывания устройства защиты через него протекает ток до десятков тысяч ампер. При этом выделяется большое количество энергии, то есть тепла.
Устройство защиты от импульсных скачков напряжения своими руками
Пример монтажа УЗИП в электрощите Защита от грозовых перенапряжений может быть выполнена своими руками. УЗИП модульного типа устанавливают в вводном щите с корпусом из металла. При этом следует применять устройство, номинальный рабочий ток которого не меньше величины, ограниченной входным автоматом. Также напряжение ограничения УЗИП не должно быть ниже допустимого в Вашей сети.
УЗИП класса I подключается после входного автомата в однофазной или трехфазной сети. Сверху к устройству подводятся защищаемые линии электроснабжения, снизу – заземление. Ниже приводится вариант электромонтажной схемы подключения УЗИП класса I в однофазной сети.
Электромонтажная схема подключения УЗИП в однофазной сети УЗИП класса II монтируется в распределительном щите внутри дома. Устройство защиты третьего класса устанавливается непосредственно у потребителей. Если ступени устройства защиты находятся рядом, между ними необходимо включать дроссели для согласования. В противном случае УЗИП с большей чувствительностью примет весь ток нагрузки на себя. Если расстояние между приборами защиты более 10м, роль дросселей выполнит электропроводка.
Тема выбора и подключения устройств защиты от грозовых перенапряжений не является простой для неспециалистов. В сложных случаях лучше обратиться в специализированную организацию.
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.