Устройство защиты от перенапряжения: Attention Required! | Cloudflare

применение и принцип действия / Статьи и обзоры / Элек.ру

Почти четверть всех пожаров, возникающих в жилом секторе, происходит из-за эксплуатации неисправного или пожароопасного электротехнического оборудования.

Чтобы не попасть в эту печальную статистику, нужно правильно подбирать и устанавливать защитные устройства. Комплексная защита любого дома должна включать в себя определенный набор аппаратов, которые обеспечивают защиту: от короткого замыкания, перегрузки и дифференциальных токов (утечек тока), а также от грозовых перенапряжений. На последнее надо обратить особое внимание. Электричество в индивидуальные дома подается, в основном, по воздушным линиям. При таком вводе обязательно должно присутствовать устройство защиты от перенапряжений, причиной которых могут стать не только обычная гроза, но и аварийные ситуации на линиях электропередач, переключения, короткие замыкания, резонансные повреждения, которые вызывают возникновение импульсных перенапряжений. Все это может вывести из строя самую мощную и дорогостоящую электротехнику. Хорошо, если вышел из строя только телевизор. А если система автоматики, ограничивающая длительность нагрева в отопительной системе или система, контролирующая работу газового котла? Тогда пожар неминуем. Избежать этого позволяет прибор защиты от грозовых импульсных и коммутационных перенапряжений -обязательное устройство для любого жилого дома, который питается от воздушных линий электропередач.

В России системы грозозащиты регламентируются «Инструкцией по устройству молниезащиты зданий и сооружений (РД 34.21.122-87)». ГОСТ Р 50571.19-2000 предписывает установку ограничителей для защиты электроустановок от импульсных перенапряжений в случаях, когда установка питается от воздушной линии или включает в себя наружный провод при числе грозовых дней в году более 25. Уровень защитного устройства при этом должен быть не выше 1,5 кВ для однофазной сети 220 В и 2,5 кВ для трехфазной сети 380 В. Требования к работоспособности и методы испытаний устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) изложены в ГОСТ Р 51992-2002. Применение ограничителей перенапряжения признано эффективным, и в настоящее время на их основе разработана и применяется зонная концепция защиты от перенапряжений.

Существует различие между внешней и внутренней защитой коммутационных и грозовых перенапряжений. Внешняя защита предназначена для защиты зданий и других объектов при прямых ударах молнии. Эта защита представляет собой один или несколько низкоомных и малоиндуктивных путей тока молнии на землю (молниеотвод, состоящий из токоприемника, токоотвода и заземлителя). Внешняя защита является классической и выполняется в соответствии с действующими нормами.

Внутренняя защита защищает электрические установки и электронные приборы внутри зданий от частичных токов молнии, от коммутационных, грозовых перенапряжений и повышения потенциала в системе заземления. Кроме того, она обеспечивает защиту от воздействий, вызванных ударами молний, электромагнитных полей. Внутренняя защита приобрела значение лишь в последние годы в связи с широким распространением микроэлектроники, основное условие для ее установки — это наличие эффективной системы заземления.

На рис. 1 (испр. см. на распечатке!) представлена схема питания электроустановки со ступенчатой системой защиты от перенапряжений. На главном вводе после группы предохранителей между каждым фазным проводником и главной шиной заземления включены искровые разрядники. При импульсах перенапряжений, поступающих по проводам сети, или при повышениях потенциала точки А во время прямого удара молнии разрядники срабатывают и пропускают заряд на землю.

Рис. 1. Схема питания электроустановки со ступенчатой системой защиты от перенапряжений

При ударе молнии потенциал точки А относительно удаленного заземлителя, например, заземлителя трансформатора источника питания, может достигать миллиона вольт. Однако напряжение между фазами сети и главной заземляющей шины не превысит значение напряжения срабатывания искровых разрядников. Это означает, что вся внутренняя электропроводка испытывает одинаковое повышение потенциала. Допустимо также предположить, что при соотношении сопротивлений заземлителя и проводов сети 1:10 лишь 10 % тока молнии поступает в распределительную сеть электроустановки.

Наряду с классическими разрядниками во внутренней защите от импульсных перенапряжений применяются ограничители перенапряжений, состоящие из последовательно соединенных плавкой вставки и варистора. Разрядник гасит мощный импульс удара молнии. Варистор ограничивает небольшие перенапряжения, вызванные дальними ударами молний. Если из-за больших токов на варисторе остается высокое остаточное напряжение, то оно гасится последующей ступенью варисторов.

В областях с высокой грозовой активностью остающиеся перенапряжения на последующих зонах при необходимости снижают дополнительно включенными варисторными ограничителями перенапряжений (УЗИП), например, типа 0ПС1 классов С, D торговой марки IEK. При этом для развязки ступеней защиты применяют специальные, включаемые последовательно в линию индуктивности или разносят ступени на 10-15 м по длине проводов.

Содержание

Технические параметры устройств защиты от перенапряжений

В качестве испытательных импульсов тока для испытания оборудования используются импульсы прямого разряда молнии с фронтом 10 мкс и затухания до половины амплитуды за 350 мкс (10/350 мкс) и непрямого удара с длительностями 8/20 мкс.

Для защиты от импульсных перенапряжений применяются вентильные разрядники, калиброванные искровые промежутки, различного вида нелинейные сопротивления, варисторы и их комбинации. Все эти защитные элементы согласно классификации МЭК по назначению и по параметрам разделяются на классы А В, С и D.

Рис. 2. Испытательные импульсы

  • Класс А. Предназначены для установки в распределительных воздушных сетях низкого напряжения. Испытываются ударным током 10/350 мкс.
  • Класс В. Предназначены для систем уравнивания грозовых перенапряжений и защиты от прямых ударов молнии. Испытываются ударным током 10/350 мкс.
  • Класс С. Предназначены для защиты от импульсных перенапряжений в стационарных электроустановках и устанавливаются во вводных распределительных щитах. Испытываются ударным током 8/20 мкс.
  • Класс D. Предназначены для защиты от импульсных перенапряжений в стационарных и передвижных электроустановках и устанавливаются в розеточных блоках или непосредственно у потребителя. Испытываются комплексным импульсом напряжения тока 8/20 мкс.

Разрядники различных систем европейского производства (например, DEHN, ABB, INDELEC, LEGRAND и др.) на российском рынке хорошо известны, но эта продукция, хоть и имеет десятки наименований, для большинства потребителей слишком дорога. Последнее время российские производители начинают выпускать разрядники качества, практически аналогичного европейскому, но гораздо дешевле по стоимости.

Например, компания «ИЭК» выпускает ограничители импульсных перенапряжений под маркой 0ПС1. Пока это только основные элементы защиты, наиболее востребованные на рынке, но компания постепенно развивает номенклатуру российских аналогов, которые будут иметь не только высокое качество, но доступную цену.

На рис. 3 приведена базовая схема питания электроустановки с системой заземления TN-C-S и устройствами защиты от перенапряжений, рекомендуемая компанией «ИЭК». В этом варианте схемы каждая ступень защиты выполнена в различных щитках, расстояние между которыми от 10 до 15 метров. Провода за счет собственной индуктивности обеспечивают временную задержку импульса при его прохождении из сети к нагрузке. Это обеспечивает последовательное срабатывание каждой ступени защиты.

Рис. 3. Схема питания электроустановки системы TN C S с устройствами защиты от перенапряжений

Вестник ИЭК октябрь 2006

Классификация устройств защиты от импульсных перенапряжений

Узнайте, какие бывают классы УЗИП и где применяется каждый вариант исполнения. Принцип работы устройств защиты от импульсных перенапряжений.


Современный человек, стараясь идти в ногу со временем, насыщает свой дом электроприборами самого различного назначения. Но не каждый домовладелец задумывается о том, что в случае возникновения в сети даже очень кратковременного импульсного напряжения в разы превышающего номинальное, весь его дорогостоящий парк электротехники и электроники может выйти из строя. Что примечательно, воздействие перенапряжения на электрические потребители пагубно тем, что пораженная техника, как правило, становится не пригодной для ремонта. Данный форс-мажор пусть не часто, но гарантировано может быть следствием перенапряжения в сетях, вызванного воздействием грозы, аварийным перехлестом фаз или коммутационных процессов. Защитить электрооборудование призваны так называемые устройства защиты от импульсных перенапряжений. Принцип работы УЗИП, классы и разницу между ними мы рассмотрели ниже. Содержание:

Классификация УЗИП

Аппараты защиты от импульсных напряжений являются широким и обобщенным понятием. В эту категорию устройств входят приборы, которые можно подразделить на классы:

  • I класс. Предназначены для защиты от непосредственного воздействия грозового разряда. Данными устройствами в обязательном порядке должны укомплектовываться вводно-распределительные устройства (ВРУ) административных и промышленных зданий и жилых многоквартирных домов.
  • II класс. Обеспечивают защиту электрических распределительных сетей от перенапряжений, вызванных коммутационными процессами, а также выполняющие функции второй ступени защиты от воздействия удара молнии. Монтируются и подключаются к сети в распределительных щитах.
  • III класс. Применяются, чтобы обезопасить аппаратуру от импульсных перенапряжений, вызванных остаточными бросками напряжений и несимметричным распределением напряжения между фазой и нулевым проводом. Устройства данного класса работают также в режиме фильтров высокочастотных помех. Наиболее актуальны для условий частного дома или квартиры, подключаются и устанавливаются непосредственно у потребителей. Особой популярностью пользуются устройства, которые изготавливаются, как модули, оснащенные быстросъемным креплением для установки на din-рейку, либо имеют конфигурацию электрических штепсельных розеток или сетевых вилок.

Типы устройств

Все устройства, обеспечивающие защиту от импульсных перенапряжений, подразделяются на два типа, которые отличаются по конструкции и принципу действия. Рассмотрим, как работает УЗИП разных видов.

Вентильные и искровые разрядники. Принцип действия разрядников основан на использовании эффекта искровых промежутков. В конструкции разрядников предусмотрен воздушный зазор в перемычке, соединяющей фазы линии электропередач с заземляющим контуром. При номинальной величине напряжения цепь в перемычке разорвана. В случае воздействия грозового разряда в результате перенапряжения в ЛЭП происходит пробой воздушного зазора, цепь между фазой и землей замыкается, импульс высокого напряжения уходит напрямую в землю. Конструкция вентильного разрядника в цепи с искровым промежутком предусматривает резистор, на котором происходит гашение высоковольтного импульса. Разрядники в большинстве случаев находят применение в сетях высокого напряжения.

Ограничители перенапряжения (ОПН)

. Данные устройства пришли на смену устаревшим и громоздким разрядникам. Для того чтобы понять, как работает ограничитель, надо вспомнить свойства нелинейных резисторов, принцип работы ОПН построен на использовании их вольтамперных характеристик. В качестве нелинейных резисторов в УЗИП используется варистор. Для людей не искушенных в тонкостях электротехники, немного информации, из чего состоит и как он работает. В качестве основного материала для изготовления варисторов служит оксид цинка. В смеси с окислами других металлов создается сборка, состоящая из p-n переходов, обладающая вольтамперными характеристиками. Когда величина напряжения в сети соответствует номинальным параметрам, ток в цепи варистора близок к нулю. В момент возникновения перенапряжения на p-n переходах происходит резкое возрастание тока, что приводит к снижению напряжения до номинальной величины. После нормализации параметров сети варистор возвращается в непроводящий режим и влияние на работу устройства не оказывает.

Компактные размеры ОПН и обширный диапазон разновидностей данных приборов позволили значительно расширить область применения этих устройств, появилась возможность использования УЗИП, как средства защиты от перенапряжений для частного дома или квартиры. Однако ограничители импульсных напряжений, собранные на варисторах, несмотря на все свои преимущества по сравнению с разрядниками, имеют один существенный недостаток – ограничение ресурса работы. Вследствие встроенной в них тепловой защиты, прибор после срабатывания остается некоторое время неработоспособным, по этой причине на корпусе УЗИП предусмотрено быстросъемное устройство, позволяющее произвести быструю замену модуля.

Более подробно о том, что такое УЗИП и какое у него назначение, вы можете узнать из видео:

Как обустроить защиту?

Прежде чем приступить к установке и подключению средств защиты от импульсных перенапряжений, необходимо сделать заземление в доме, иначе все работы по обустройству УЗИП потеряют весь смысл. Классическая схема предусматривает 3 уровня защиты. На вводе устанавливаются разрядники (УЗИП класс I) , обеспечивающие грозозащиту. Следующее защитное устройство класс II, как правило, ОПН подключается в распределительном щите дома. Степень его защиты должна обеспечивать снижение величины перенапряжения до параметров безопасных для бытовых приборов и сети освещения. В непосредственной близости электронных изделий, чувствительных к колебаниям по току и напряжению желательно подключить УЗИП класса III.

Классификация устройств защиты от импульсных перенапряжений

При подключении УЗИП необходимо предусмотреть их токовую защиту и защиту от коротких замыканий вводным автоматическим выключателем или плавкими предохранителями. Подробнее о монтаже данных защитных устройств мы расскажем в отдельной статье.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео, в котором подробно рассмотрена классификация устройств защиты от перенапряжений, принцип действия и советы по выбору подходящего аппарата:

Вот мы и рассмотрели принцип работы УЗИП, классы и разницу между ними. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной!

Будет интересно прочитать:

  • Как сделать громоотвод в частном доме
  • Для чего нужна главная заземляющая шина
  • Для чего нужен дифавтомат


НравитсяКлассификация устройств защиты от импульсных перенапряжений0)Не нравитсяКлассификация устройств защиты от импульсных перенапряжений0)
Защита электрооборудования от импульсных перенапряжений по цепям питания

В настоящей статье рассмотрены наиболее общие вопросы применения устройств защиты от импульсных перенапряжений, даны рекомендации по их подбору и монтажу.

Настоящий этап развития техники и технологии характеризуется тем, что электрооборудования, в том числе электронного, на объектах народного хозяйства и в быту становится всё больше и больше, а само оборудование становится всё сложнее и дороже. А чем сложнее оборудование, тем оно чувствительней к различным перенапряжениям и помехам.

В данной статье рассматриваются отдельные вопросы защиты оборудования от микросекундных импульсных перенапряжений большой мощности, приходящих по цепям питания. Защита от таких перенапряжений — вопрос комплексный и в рамках одной статьи неподъёмный, поэтому остановимся на одном аспекте этой защиты — применении Устройств Защиты от Импульсных Перенапряжений (УЗИП).

Нормативная база применения УЗИП

Что такое УЗИП? Основной российский документ, определяющий, что такое УЗИП, это ГОСТ Р 51992-2002 «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах».

Согласно этому ГОСТу «Устройство для защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП): устройство, которое предназначено для ограничения переходных перенапряжений и отвода импульсов тока. Это устройство содержит, по крайней мере, один нелинейный элемент». Стандарт распространяется на устройства для защиты электрических сетей и электрооборудования при прямом или косвенном воздействии грозовых или иных переходных перенапряжений. Данные устройства предназначены для подсоединения к силовым цепям переменного тока частотой 50-60 Гц на номинальное напряжение до 1000В (действующее значение) или 1500В постоянного тока.

В зависимости от класса испытаний УЗИП делятся на 3 типа.

Испытания класса I предназначены для имитации частично направленных грозовых импульсов тока. УЗИП, подвергаемые таким испытаниям, рекомендуются для установки на линейных вводах в здания, защищённые молниезащитными системами, а также при воздушном вводе питания. Характерной особенностью данного класса является испытание импульсным током Iimp c формой волны 10/350 мкс (1). Важнейшим параметром, характеризующим УЗИП, является уровень напряжения защиты Up, который измеряется при In. Это «параметр, характеризующий УЗИП в части ограничения напряжения на его выводах, который выбран из числа предпочтительных значений». Его значение всегда выше остаточного напряжения Ures , т.е. пикового значения, появляющегося на выводах УЗИП вследствие прохождения разрядного тока заданной амплитуды. Up не должен превышать стойкость электрооборудования к импульсному напряжению, определённому в ГОСТ Р 50571.19-2000. Поэтому принято, что для УЗИП 1-го класса Up не превышает 4 кВ.


Стандартный испытательный импульс

Испытания класса II предназначены для имитации наведённого в проводниках под действием электромагнитного поля импульса. УЗИП, подвергаемые таким испытаниям (УЗИП 2-го класса), предназначены для установки после УЗИП 1-го класса в промежуточные шкафы, либо во вводной шкаф, если отсутствует вероятность попадания части прямого тока молнии в систему электроснабжения. Испытания проводятся номинальным разрядным током In и максимальным разрядным током Imax . Оба импульса имеют форму волны 8/20 мкс, но разную амплитуду. При этом Imax > In. Импульс In УЗИП должен выдержать многократно при условии его остывания до комнатной температуры в промежутке между импульсами. Обычно количество выдерживаемых импульсов от 5 до 15 (по ГОСТу количество не установлено и определяется производителем, по МЭКу – 15 импульсов). Импульс Imax УЗИП должен выдержать однократно, при этом его дальнейшая работа в соответствии с заявленными параметрами не гарантируется (но возможна). Уровень напряжения защиты Up для устройств 2-го класса не должен превышать 2,5 кВ.

Испытания класса III также имитируют наведённый импульс, но испытываются комбинированной волной напряжения 1,2/50 мкс и тока 8/20 мкс. При этом в параметрах указывается напряжение разомкнутой цепи Uoc и номинальный In и максимальный Imax токи. Уровень напряжения защиты Up для 3-го класса не должен превышать 1,5 кВ. Это тот уровень, который должна выдерживать техника, даже не проходившая испытаний на устойчивость к микросекундным импульсным перенапряжениям. Поэтому данные устройства рекомендуется использовать в непосредственной близости от защищаемого оборудования (желательно не далее 5-7 метров, а в общем, чем ближе, тем лучше).

Ещё несколько важных параметров, которые необходимо знать для подбора УЗИП.

Максимальное длительное рабочее напряжение Uc — действующее значение переменного или постоянного тока, которое длительно подаётся на выводы УЗИП. Оно равно номинальному напряжению с учетом возможного завышения напряжения при различных нештатных режимах работы сети.

Номинальный ток нагрузки IL — максимальный длительный переменный (действующее значение) или постоянный ток, который может подаваться к нагрузке, защищаемой УЗИП. Данный параметр важен для УЗИП, подключаемых в сеть последовательно с защищаемым оборудованием. Так как большинство УЗИП подключаются параллельно цепи, то данный параметр у них не указывается.

Оценка необходимости использования УЗИП

Итак, применять или не применять УЗИП? Для ответа на этот вопрос имеются два подхода. Первый подход — формальный. Обязательность применения УЗИП прописаны в ПУЭ 7-е издание (п. 7.1.22), СП31-110-2003 (п. А5.2), ГОСТ Р 50571.19-2000, а также в некоторых ведомственных документах (РД Транснефть, СТО Газпром, СТО ФСК ЕЭС, РЖД). Если ваш объект попадает под действие этих документов, то применять надо обязательно, если нет, то можно перейти ко второму, неформальному, подходу и продолжить анализ ситуации.

Так как УЗИП защищает в основном электронное оборудование (или электронные блоки питания такого оборудования), надо понять, есть ли вам что защищать. И здесь надо учитывать не только стоимость самого оборудования, но и возможные последствия выхода его из строя или даже просто сбоев в работе. Иногда выход из строя копеечного прибора приводит к остановке всего техпроцесса и многомиллионным потерям.

Далее надо попытаться понять, насколько велика вероятность попадания импульса на ваше оборудование, а также характер и величину этого импульса. Так, если объект расположен в городе и вокруг стоят более высокие дома, то вероятность попадания к вам серьёзного импульса перенапряжения достаточно мала. Если же объект стоит в чистом поле рядом с мачтой связи, то есть реальная возможность словить не только наведённый импульс, но и часть тока молнии (2). А если вы ещё и питаетесь от воздушной линии, то вероятность такого исхода значительно увеличивается.


Возможные пути проникновения импульсов на объект

Существует стандарт МЭК 62305-2 по оценке рисков, связанных с молниезащитой. Российские федеральные стандарты не содержат методики расчета или чётких рекомендаций о необходимости применения специализированных защитных устройств. Поэтому приходится проводить эту оценку экспертно, основываясь на результатах комплексной оценки электромагнитной обстановки объекта.

Подбор типа УЗИП

Итак, в результате анализа потенциальных рисков Вы пришли к выводу, что выгоднее применить УЗИП, чем потом ликвидировать последствия экономии. Теперь предстоит выбор конкретных устройств защиты и размещение их на объекте.

Если решено защищать целиком всё здание и оборудование в нём, то прежде всего надо подобрать УЗИП для установки во вводной шкаф. Если на здании или в непосредственной близости от него есть молниеприемники или имеется воздушный ввод, то необходимо устанавливать УЗИП 1-го или 1+2 класса. Рекомендации МЭК по выбору мощности УЗИП показаны на 3.


Количественная и качественная оценка растекания токов молнии на объекте, оснащенном внешней молниезащитой.

Считается, что при попадании молнии в систему внешней молниезащиты половина тока молнии уходит в землю, а вторая половина попадает на главную заземляющую шину (ГЗШ). Далее эти 50% тока распределяются равномерно по всем присоединенным к ГЗШ коммуникациям. Отсюда делается вывод, что минимальная мощность УЗИП определяется именно той частью тока молнии, которая попадёт в систему питания. Учитывая, что 99% ударов молний в России имеют амплитуду менее 100кА, в расчетах можно исходить из этой цифры. Если в объект входит только трёхфазное электропитание, тогда, при наличии УЗИП, по каждому проводу питания пойдёт около ¼ от тех 50кА, которые попадут на ГЗШ (при режиме нейтрали TNC), т.е. около 12,5кА. Это как раз та самая минимальная величина Iimp (10/350), допустимая для 1-го класса УЗИП. С учетом неравномерности распределения токов, рекомендуется брать УЗИП с Iimp не менее 20кА (10/350) на фазу. Примером такого устройства может служить DS253E-300 производства CITEL c Iimp =25кА на фазу (4).

 
Устройство защиты от импульсных перенапряжений 1 класса.

Если же вероятность попадания части прямого тока молнии исключена, то можно применить УЗИП 2-го класса. Точный расчёт наведённого на линию импульса перенапряжения представляет довольно сложную задачу, поэтому, основываясь на нашем многолетнем опыте, для этих устройств предлагаются следующие параметры: In=20kA (8/20) и Imax=40kA (8/20). Наиболее типичным представителем таких устройств является DS43S-230 производства CITEL (5).

 
Устройство защиты от импульсных перенапряжений 2 класса

УЗИП 2-го или 3-го класса могут также применяться после 1-го класса для защиты наиболее ответственного и чувствительного оборудования, если расстояние между ними более 15м.

Если нужно защитить только одну комнату с сервером внутри, то принципы подбора УЗИП мало отличаются от вышеизложенного. Можно только добавить, что в этом случае целесообразно применить УЗИП со встроенным ВЧ-фильтром, который не только защищает от импульсных перенапряжений, но и фильтрует ВЧ помехи малой амплитуды, например DS HF (6).

 
Устройство защиты от импульсных перенапряжений со встроенным ВЧ-фильтром

Требования к монтажу УЗИП

А теперь, когда определено, какие УЗИПы и где применять, можно рассмотреть некоторые особенности их использования. Устройства для защиты по питанию могут иметь три типа подключения:

— Т-образный (параллельный), когда УЗИП подключается параллельно питающей цепи. Рабочий ток при этом через устройство защиты не идёт, т.е. вы можете его использовать при любой мощности системы электроснабжения. Сечение соединительных проводников должно выбираться в соответствии с рекомендациями производителя УЗИП.

— последовательный, когда УЗИП ставится в разрыв питающего провода. В этом случае устройство защиты должно иметь номинальный ток нагрузки IL больше максимального рабочего тока цепи, в которую оно установлено.

— V-образный тип подключения, когда рабочий ток цепи протекает по шунту, установленному внутри УЗИП (7). С точки зрения защиты от импульсных перенапряжений это оптимальная конфигурация.


V-образное подключение

Типовая схема Т-образного (параллельного) подключения УЗИП 1+2 класса в сеть TNC-S приведена на 8.


Т-образное подключение УЗИП

Здесь есть одна тонкость, связанная с применением плавких вставок FU 1-3. Существуют рекомендованные производителем УЗИП номиналы данных устройств, например, для УЗИП 1+2 ступени с импульсными токами 25кА (10/350) на фазу оптимальными являются вставки 125А по характеристике gG/gL. При этом номинале через плавкую вставку может пройти импульс 25 кА (10/350) и она останется целой. Если взять вставку меньшего номинала, УЗИП будет недоиспользован, т.к. при приходе мощного импульса плавкая вставка сгорит и исключит из работы вполне исправный УЗИП. Т.е. система защиты будет работать только при импульсах, значительно слабее тех, на которые рассчитан УЗИП. По рекомендациям МЭК номинал входного защитного устройства ВА должен быть на ступень больше, чем номинал предохранителей FU 1-3. В случае невозможности выполнения такого требования, предохранители FU 1-3 можно не устанавливать. При V-образном и последовательном соединении эти дополнительные предохранители отсутствуют в принципе.

Ещё одна особенность Т-образного монтажа УЗИП заключается в том, что длина соединительных проводов между УЗИП и точкой присоединения к сети не должны превышать 0,5м (ГОСТ Р 50571.26-2002). Это связано с тем, что микросекундный импульс перенапряжения является высокочастотным сигналом и имеет очень крутой фронт. А любой проводник, кроме активного сопротивления, имеет ещё и индуктивное. Оно очень маленькое, примерно 1 мкГн/м при сечении провода 16 кв.мм, и на промышленной частоте им обычно пренебрегают. Но при крутизне фронта тока (dI/dt) 1кА/мкс на каждом метре провода падает 1кВ. И это напряжение складывается с остаточным напряжением УЗИП и прикладывается к оборудованию (9). При этом амплитуда импульса может значительно превысить допустимые для данного оборудования значения.

Именно по этой причине нельзя устанавливать вместо предохранителей FU 1-3 автоматические выключатели. Каждый автоматический выключатель содержит катушку индуктивности, стоящую последовательно в рабочей цепи. И в случае их использования при приходе импульса основное напряжение упадёт на автоматическом выключателе, а УЗИП при этом будет работать неэффективно. В результате такое подключение не обеспечит защиту оборудования.

Ещё один вопрос, который обычно встает перед инженером – нужно ли применять УЗИП 2 или 3 класса после устройства типа 1+2, установленного во вводном щите? Ведь уровень напряжения защиты у этого устройства (Up) не более 1,5кВ, что не превышает уровень, характерный для 3 класса. Ответ — не обязательно, если расстояние по кабелю от УЗИП 1+2 класса до защищаемого оборудования не более 15-20м и рядом нет источников сильных наводок. Если же расстояние более 20 метров, то устанавливать необходимо, т.к. ситуация может развиваться, как на 10. Здесь пришедший импульс перенапряжения ограничивается УЗИП до 1,5кВ, а уже внутри здания на него накладывается помеха, наведённая от различного мощного электротехнического оборудования. Сами по себе уровни этих помех не превышают допустимый для защищаемого оборудования, но вместе эти перенапряжения могут привести к сбоям и даже выходу оборудования из строя.

Стоит отметить, что для эффективной защиты от перенапряжений расстояние от места подключения УЗИП 2 или 3 класса до защищаемого оборудования не должно превышать 5м.

В заключении можно отметить, что существующие на настоящий момент российские и международные стандарты предоставляют достаточно возможностей для защиты оборудования от микросекундных импульсных перенапряжений.

Устройство защиты от импульсных перенапряжений

Устройство защиты от импульсных перенапряжений. Что это такое? Отвечу по возможности кратко, это прибор, позволяющий простым и доступным способом уберечься от внезапных скачков напряжения в сети, а простота, в этом случае, служит залогом надёжности и эффективности.

Неспроста, установка УЗИП при воздушном способе подвода проводников электропитания к зданию не только рекомендована, но и обязательна к выполнению (ПЭУ 7.1.22.)

Прежде чем переходить к разбору особенностей этого прибора, давайте разберёмся, отчего мы собственно собираемся защищаться.

uzip

Виды отклонений величин напряжения в сети 220 V от нормы

Все “неприятности”, связанные с напряжением, которое поступает в наши дома можно разделить на несколько отдельных больших тем:

  1. Возникновение и прохождение кратковременного импульса перенапряжения.
  2. Устойчивое длительное перенапряжение, как правило, превышающее 300–400V.
  3. Постоянное пониженное напряжение.

Какого-то универсального способа прибора, устройства для устранения всех этих проблем не существует.

Каждый отдельный прибор “заточен” для решения конкретной задачи, поэтому все рассуждения по поводу, нужно или не нужно какое-либо устройство, по крайней мере, неуместны.

Импульсное перенапряжение что это такое

ispytatelnye-impulsyНа самом деле амплитуд и форм волны, может быть, большое множество, но считается, что в описании всех возможных случаев нет необходимости. Достаточно двух типов импульсов.

Это кратковременный импульс или импульсы длительностью несколько микросекунд, но с очень высокой амплитудой напряжения. Такие импульсы могут возникнуть вследствии грозы либо по одной из причин, вызванных технологическими, чаще всего не контролируемыми процессами.

Чем импульсное перенапряжение отличается  от длительного перенапряжения

Ответ очевиден, длительностью и формой волны, но здесь интересен другой важный момент. Когда именно импульсное перенапряжение переходит в фазу длительного устойчивого перенапряжения.

Пользуясь определениями приведёнными в ГОСТе 13109, под временным перенапряжением понимается превышение номинального напряжения на 1,1 Unom, на срок более 10 мс (0,01 с). Продолжительность всего процесса стандарт не регламентирует, но вполне очевидно, что для наблюдателя всё произойдёт практически мгновенно.

Все эти рассуждения имеют практическое значение. Дело в том, что:

Устройство защиты от импульсных перенапряжений сразу же после прохождения импульса само нуждается в защите т. е. УЗИП своевременно должно быть отключено от питающей сети

sgorevshee-uzip

Казалось бы, зачем нужно такое устройство, которое само придётся защищать, но повторюсь, какого-то единого устройства способного защитить от всех видов перенапряжений не существует. Решить проблему можно только комплексно с привлечением всех возможных способов и средств в том числе путём взаимодействия различных приборов.

Устройство защиты от импульсных перенапряжений для чего оно нужно

Если этот вопрос задать неспециалисту, то он, вероятно, прежде всего подумает об некоем устройстве, обеспечивающем защиту от разрядов молнии и отчасти, будет прав.

Действительно, классические газоразрядники давно и успешно применяются, как одно из средств защиты от грозовых разрядов, но если бы возможности УЗИП ограничивались только этим, то в установке этого устройства в каждой отдельной квартире многоквартирного дома не было бы никакого прока. Колоссальный электрический разряд разрушил бы организованную подобным образом общедомовую электрическую инфраструктуру, прежде чем импульс достигнул хотя бы одной из квартир.

На самом деле, защита от грозовых разрядов и защита от импульсных перенапряжений, вызванных технологическими причинами, по сути, две отдельные большие темы. То что актуально для жителей жилых домов запитанных от воздушной электросети (схема TT), совсем ненужно жителям многоэтажного дома (схемы TN-C, TN-S, TN-C-S).

Технологические причины перенапряжений

Одна из показательных причин, коммутационные импульсы. Здесь потенциальная опасность (резкое изменение параметров электроснабжения) возникает во время переходных процессов.

Наверное, многие наблюдали, как при включении нагрузки большой мощности на некоторое время уменьшается накал горящей лампочки, проседание фазы. Нечто обратное происходит при отключении питающего напряжения от нагрузки обладающей большой накопительной ёмкостью, индуктивностью, а следовательно, инертностью.

Другие причины:

  • Индукционные наводки
  • Гармонические искажения
  • Различные аварийные ситуации
  • Сброс статического электричества

Этот список можно продолжать, потому что само возникновение импульсов носит вероятностный характер. Предусмотреть, что и как может произойти, особенно при наложении различных факторов невозможно.

Вполне может быть, что ничего плохого никогда и не случится, но утверждать это на все 100% никогда нельзя.

Почему объединение всех устройств защиты от импульсных перенапряжений в принципе неверно

Объединение всех устройств, предназначенных защищать от спонтанных неконтролируемых (природных, техногенных) импульсов перенапряжения одним общим названием, вызывает в лучшем случае неудобство, в том числе и для нахождения путей решения проблемы.

Как уже говорилось выше, молниезащита и проблема коммутационных импульсов, по сути, две отдельные большие темы. Хотя в обеих случаях используются УЗИПы, но принцип действия базовых элементов, применяемых в этих устройствах различен. К тому же эти устройства сами, в большинстве случаев, нуждаются в защите. Осуществить такую защиту учитывая несопоставимость амплитуд каким-то единым способом методом просто не получится.

Поэтому было бы правильнее УЗИПы на базе варисторов и применяемые именно для сглаживания остаточного импульса, называть ограничителями, а УЗИПы предназначенные для защиты от атмосферных разрядов, разрядниками.

Рассказать обо всём и сразу невозможно, поэтому учитывая специфику сайта, более подробно остановлюсь на особенностях использования УЗИП на варисторе.

Устройство защиты от импульсных перенапряжений на базе варистора

Предназначены всё-таки для установки в УЗИП 2–3 класса. Хотя можно встретить приборы и с такой маркировкой, Iimp-25kA. Повторюсь, мы говорим об устройствах защиты от импульсного перенапряжения на основе варистора. Учитывая неоднородность p-n перехода создать такой прибор даже в единственном экземпляре довольно проблематично. Ни о каком массовом производстве в этом случае не может быть и речи.

Сейчас самое время более подробно познакомится с предметом разговора.

Что такое варистор

varistor

Это полупроводниковый прибор с ярко выраженной нелинейностью и способностью преобразовать электрическую энергию в тепловую. Что это значит? Нелинейность элемента в этом случае выражается почти нулевой проводимостью при классификационном уровне (несколько МОм) и созданием под воздействием высокого напряжения (электрического поля) благоприятных условий (с сопротивлением нескольких Ом) для новообразований (дырок) способных беспрепятственно пересечь p-n переход.

О побочных явлениях, которые сопутствуют этому процессу чуть ниже.

Почему УЗИП с варистором иногда называют “миной замедленного действия”

Надо сказать, не без основания.

Как выглядит примитивный варистор. Это некая масса, выполненная в виде таблетки с приваренными на её плоскостях металлическими выводами.

При прохождении высоковольтного импульса через такую конструкцию, почти наверняка произойдёт искровой пробой. Собственно, сам варистор, то же не останется безучастным в этом процессе. Вся прошедшая через него электрическая энергия преобразится в тепловую. В итоге мы получаем идеальный очаг возгорания.

Наличие теплушки (теплового реле), обладающей непозволительной в этом случае инертностью никак, не решает проблему

Учитывая небольшие размеры теплового реле в его блочном исполнении, корпус теплушки, уже к этому времени спёкшийся, будет служить, за неимением лучшего, прекрасным проводником для разряда.

Как правильно подключить УЗИП

skhema-podklyucheniya-ustrojstva-zashchity-ot-impulsnyh-perenapryazhenij

Проницательный читатель уже догадался, что если бы всё обстояло так плохо, как было ранее сказано то продолжать статью не было бы никакого смысла.

На самом деле, все проблемы с УЗИП происходят из-за недопонимания принципа действия этого прибора и пренебрежением правил его эксплуатации.

Поэтому повторюсь.

Устройство защиты от импульсного перенапряжения служит для сброса (сглаживания) кратковременного высоковольтного импульса, после чего оно уже не отчего не защищает. Более того, при несвоевременном отключении УЗИП от сети это устройство может стать источником многих бед.

Как защитить УЗИП

Поставить перед ним автоматический выключатель или блок предохранителей. На вопрос, что лучше, есть простой ответ. Хотите надёжность ставьте предохранитель номиналом, указанным в паспорте или на корпусе прибора.

В заключении статьи

Надо сказать, что УЗИП очень неоднозначное устройство. Любой аспект его использования порождает ещё большее количество вопросов, но можно поставить вопрос и по-другому. Рассматривать применение УЗИП, как единственное возможное средство для

Особенности выбора, эксплуатации и контроля технического состояния устройств защиты от импульсных перенапряжений

(Продолжение. Начало.)

Часто встречающиеся недостатки в конструктивном исполнении УЗИП I, II и III классов

В данном разделе будут рассмотрены некоторые конструктивные особенности исполнения устройств защиты от импульсных перенапряжений. Большинство из недостатков УЗИП вскрываются в процессе эксплуатации и заставляют производителей совершенствовать их конструкцию.

Многие фирмы предлагают УЗИП классов I и II, в конструкции которых предусмотрен съемный модуль с нелинейным элементом (разрядником или варистором). Данный модуль соединяется с основанием (базой) устройства при помощи ножевых контактов в модуле и ответных контактов в базе. Такое конструктивное исполнение кажется на первый взгляд более выгодным и удобным для заказчика, чем монолитный корпус, в связи с возможностью более простого осуществления измерения сопротивления изоляции электропроводки (при измерениях повышенными напряжениями этот модуль можно просто изъять) или замены модуля при выходе его из строя. Однако, в модульных конструкциях при низком качестве гальванического покрытия контактов (неравномерное покрытие, окислившаяся поверхность контакта и т.п.), недостаточной рабочей площади соприкосновения и малой степени прижатия контактных поверхностей друг к другу, способность таких соединений пропускать импульсные токи не превышает пределов Imax = 25 kA для волны (8/20 мкс) и Iimp = 20 kA для волны (10/350 мкс).

Несмотря на это, некоторые изготовители показывают в рекламных каталогах для защитных устройств подобного типа максимальные разрядные способности с величинами до Imax = 100 kA (8/20 мкс) или Iimp = 25 ÷ 50 kA (10/350 мкс), что определяется параметрами только лишь самого нелинейного элемента. К сожалению, это не всегда подтверждается практическими данными. Бывают случаи, когда уже при первом ударе испытательного импульса тока с указанными выше амплитудами может произойти пережигание и разрушение не только ножевых контактов сменного модуля, но также и повреждение ответных контактов в базе.

Результаты воздействия испытательного импульса тока Imax = 50 кА (8/20 мкс) на механическую часть и ножевой контакт варисторного УЗИП показано на фотографиях (рисунок 8).

Последствия испытания импульсным током с амплитудой Iimp = 50 кА (10/350 мкс) для случая с модульным УЗИП на базе разрядника показаны на рисунке 9. 

Очевидно, что после подобного воздействия сложным становится, собственно, сам вопрос извлечения вставки из базы, так как их контакты могут привариться друг к другу. Даже если вставку удастся отсоединить от базы, последнюю будет нельзя использовать далее из-за подгоревших контактов, которые приведут к резкому возрастанию переходного сопротивления и, соответственно, уровня защиты данного УЗИП.

Для того, чтобы избежать подобных последствий, необходимо быть абсолютно убежденным в качестве контактного соединения в применяемом УЗИП. Целесообразно защитные устройства модульной конструкции класса I применять только тогда, когда существует гарантия, что ожидаемые импульсные воздействия не превысят указанных ранее критических значений, а это довольно-таки сложно предсказать из-за их вероятных характеристик. Иными словами, когда существует вероятность прямого удара молнии непосредственно в объект (его систему внешней молниезащиты) или подводимую к объекту электро-питающую линию, в первой ступени защиты желательно применять моноблочные УЗИП класса I (без съемных модулей).

Единственным разумным вариантом применения модульных УЗИП класса II может быть их использование только в качестве второй ступени защиты при условии согласования их параметров (импульсных токов и уровней защиты) с УЗИП класса I, установленным в первой ступени.

Следующим, очень часто встречающимся серьезным недостатком УЗИП, особенно это касается УЗИП I и II классов, является конструкция клемм для подключения проводников. Существует конструкция клемм, у которых зажимной винт при его закреплении давит непосредственно на закрепляемый провод, причем, в точке соприкосновения возникает чрезмерно высокое давление, вызывающее так называемую «ползучесть» материала провода (обычно меди или алюминия). В результате после определенного времени ползучесть материала приводит к ослаблению контакта провода в корпусе клеммы и как следствие — к возникновению местного переходного сопротивления. Последнее при срабатывании УЗИП под воздействием импульсных разрядных токов с амплитудами в десятки кА вызывает искрообразование и обгорание всего зажима (рисунок 10), что приводит к отказу устройства в целом и повышению риска возникновения пожара.

Несколько замечаний по выбору типа и параметров защитных устройств

Анализ данных экспериментальных испытаний некоторых образцов УЗИП, а также информация, полученная в результате обмена опытом с теми, кто уже эксплуатирует подобные устройства, выявили целый ряд замечаний, которые мы рекомендуем учитывать при выборе типа УЗИП и оценке соответствия заявленных параметров его реальным возможностям. Ниже приведены некоторые из выводов (уже подтвержденные практикой):

1. Несоответствие указываемых максимальных значений испытательных импульсных разрядных токов Iimp (10/350 мкс), Imax (8/20 мкс), In (8/20 мкс), а также данных, определяющих максимальную удельную энергию W/R и максимальный заряд Q для УЗИП I и II классов. Например, некоторые производители для варисторных УЗИП I-го класса указывают ток Iimp (10/350 мкс) величиной более 20 кА. На рисунке 9 показан результат испытания защитного устройства током Iimp (10/350 мкс) = 25 кА, который был указан на лицевой панели УЗИП. Результат, как говорится, налицо.

Вывод. К варисторным УЗИП, для которых определены производителем токи Iimp (10/350 мкс) величиной более 20 кА, следует относиться с некоторой осторожностью, так как производить такие УЗИП технологически довольно сложно. Это требует очень тщательного и трудоемкого процесса подборки отдельных варисторов (для создания сборки) по их квалификационному напряжению и еще целому ряду параметров. В результате такое производство становится экономически невыгодным и появляется основание считать, что приведенный в технической документации параметр может быть несколько завышен!

В тех случаях, когда необходимо обеспечить защиту от импульсных токов величин более 20 кА (10/350 мкс), рекомендуется применять УЗИП на базе разрядников.

2. Второе замечание будет корректировать первое. А именно:

  • Не все разрядники рекомендуется использовать. Перед выбором разрядника нужно оценить ожидаемое значение импульсного тока, который может протекать через элементы электроустановки и сравнить его значение с предлагаемыми параметрами УЗИП на базе разрядника. При этом особо следует обратить внимание на значение сопровождающего тока. Это более подробно описывалось в предыдущих номерах журнала. Далее желательно обратить внимание на конструкцию разрядника — это описывалось выше. Разрядники со съемным модулем в некоторых ситуациях могут привести к проблемам. Во время экспериментальных исследований наблюдались случаи, когда при протекании через разрядники тока Iimp (10/350 мкс) = 50 кА, съемный модуль под воздействием динамического удара выпрыгивал из базы. В нескольких случаях наблюдалось даже разрушение базы.
  • Разрядники с открытой разрядной камерой при зажигании в них дуги осуществляют выброс раскаленных ионизированных газов через сопло в нижней части корпуса. Это накладывает особые требования к безопасности человека и к условиям монтажа. В зону выброса не должны попадать проводники и другие предметы, не стойкие к высоким температурам. Шкафы для таких разрядников могут быть изготовлены только из металла. Но самое главное, что при срабатывании таких разрядников на пределе своих возможностей (Iimp = 50-60 кА (10/350 мкс)) из них выбрасываются сгустки раскаленного и расплавленного материала их электродов, а сила выброса такова, что на практике известны даже случаи значительной деформации металлических шкафов, сравнимые только с последствиями взрыва ручной гранаты. На объектах связи с высокими антенно-мачтовыми сооружениями не раз наблюдались случаи, когда у металлических шкафов с подобными разрядниками выбивало закрытые дверцы. Пример — на рисунке 12. 

3. Третье замечание касается применения разрядников со специальным, так называемым, поджигающим электродом. Данный тип разрядников позволяет за счет использования электронной схемы и поджигающего электрода существенно уменьшить время реагирования разрядника ta (см. рисунок 13).

Это позволяет значительно понизить напряжение динамического пробоя и соответственно уровень защиты Up разрядника, что позволяет легче координировать его выходные параметры с категориями стойкости изоляции защищаемого оборудования (ГОСТ Р 50571.19). Некоторые производители даже указывают в технической документации, что такой разрядник относится к УЗИП класса I-II. Кроме этого, уменьшение времени включения до значения 25 нс (соответствует времени включения варистора) позволяет в некоторых случаях отказаться от использования разделительных дросселей при близкой установке друг к другу такого разрядника и варисторного УЗИП II-го класса. Однако при этих явных достоинствах существует совершенно очевидный недостаток. В случае выхода из строя электронной схемы поджига, характеристики разрядника существенно изменяются в сторону ухудшения. Определяется это в первую очередь тем, что из-за внесения дополнительного поджигающего электрода приходится увеличивать зазор между рабочими электродами, что при отсутствии поджига приводит к значительному возрастанию динамического напряжения пробоя и соответственно уровню остающегося напряжения Up, т.е. нарушению координации УЗИП со стойкостью изоляции защищаемого оборудования.

Вывод. Задавайте вопросы поставщикам защитных устройств, добивайтесь исчерпывающих ответов, и уже только после этого принимайте решение о приобретении того или иного устройства. Уважающий себя производитель всегда дает достаточный объем технической информации. И в том случае, если Вы не сумели ее получить, попробуйте поискать что-то другое, более Вам понятное. Тем более, что рынок подобных устройств стал значительно шире, есть из чего выбирать!

Диагностика устройств защиты от импульсных перенапряжений

Конструкция и параметры устройств защиты от импульсных перенапряжений постоянно совершенствуются, повышается их надежность, снижаются требования по техническому обслуживанию и контролю. Но, не смотря на это, нельзя оставлять без внимания вероятность повреждения УЗИП, особенно при интенсивных грозах, когда может произойти несколько ударов молнии непосредственно в защищаемый объект или вблизи от него во время одной грозы. Устройства защиты, применяемые в низковольтных электрических сетях и в сетях передачи информации, подвержены так называемому старению (деградации), т.е. постепенной потере своих способностей ограничивать импульсные перенапряжения. Интенсивнее всего процесс старения протекает при повторяющихся грозовых ударах, в течение короткого промежутка времени в несколько секунд или минут, когда амплитуды импульсных токов достигают предельных максимальных параметров Imax (8/20 мкс) или Iimp (10/350 мкс) для конкретных типов защитных устройств.

Повреждение УЗИП происходит следующим образом. Разрядные токи, протекающие при включении защитных устройств, нагревают корпуса их нелинейных элементов до такой температуры, что при повторных ударах с той же интенсивностью (в еще не успевшее остыть устройство) происходит:

  • у варисторов — нарушение структуры варистора (тепловой пробой) или его полное разрушение;
  • у металлокерамических газонаполненных разрядников (грозозащитных разрядников) — изменение свойств в результате утечки газов и последующее разрушение керамического корпуса;
  • у разрядников с открытой разрядной камерой — за счет взрывного выброса ионизированных газов во внутреннее пространство распределительного щита могут возникать повреждения изоляции кабелей, клеммных колодок и других элементов электрического шкафа или его внутренней поверхности. Важной особенностью при эксплуатации разрядников этого типа в распределительных щитах является также необходимость повышения мер противопожарной безопасности.

По указанным выше причинам все серьезные изготовители устройств защиты от импульсных перенапряжений рекомендуют осуществлять регулярный контроль, не менее двух раз в год, — перед началом грозового сезона и после его окончания, а также после каждой сильной грозы. Проверку необходимо осуществлять с помощью специальных тестеров или приборов, которые обычно можно заказать у фирм, занимающихся техникой защиты от перенапряжений. Контроль, осуществляемый другими способами, например, визуально или с помощью универсальных измерительных приборов, в этом случае является неэффективным по следующим причинам:

  • Варисторное защитное устройство — может быть повреждено, хотя сигнализация о выходе варистора из строя не сработала. Варистор может обладать искаженной вольтам-перной характеристикой (более высокая утечка) в области токов до 1 мA (область рабочих токов при рабочем напряжении сети; настоящую область невозможно проверить с помощью стандартных приборов). Проверка осуществляется минимально в 2-х точках характеристики (как правило, при 10 и 1000 мкА), при помощи специального источника тока с высокой скоростью нарастания напряжения (от 1 до 1,5 кВ). При этом простое измерение квалификационного напряжения не даст полной картины состояния варистора.
  • Металлокерамический газонаполненный разрядник — с помощью визуального контроля можно заметить только поврежденный от взрыва внешний декоративный корпус УЗИП (или его выводы). Чтобы выяснить состояние самого разрядника необходимо разобрать внешний корпус, но даже при таком контроле практически невозможно обнаружить утечку газового заряда. Контроль напряжения зажигания грозового разрядника с помощью обыкновенных измерительных приборов выполнить невозможно, так как динамическое напряжение зажигания разрядника будет зависеть от крутизны фронта импульса, а статическое напряжение зажигания даст информацию лишь о том, что разрядник способен зажигаться вообще. Реальную картину состояния разрядника и значения его уровня защиты можно получить только при помощи специализированных генераторов, формирующих комбинированную волну напряжения и тока [3], и запоминающего осциллографа.
  • Разрядник с открытым искровым промежутком — проверку исправной работы можно осуществить только после демонтажа и измерения с помощью генератора грозового тока с характеристикой Iimp (10/350 мкс) по заказу у изготовителя устройств для защиты от импульсных перенапряжений или в специальной лаборатории.

Литература:

  1. IEC-62305 «Защита от удара молнии». Части 1-5.
  2. ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98) «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Часть 1. Требования к работоспособности и методы испытаний».
  3. IEC-61643-12 (2002): «Устройства защиты от перенапряжений для низковольтных систем распределения электроэнергии. Часть 12. Выбор и принципы применения».
  4. ГОСТ Р 50571.19-2000 «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 443. Защита электроустановок от грозовых и коммутационных перенапряжений».
  5. ГОСТ Р 50571.26-2002 «Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Раздел 534. Устройства для защиты от импульсных перенапряжений».
  6. СО-153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству мол-ниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».
  7. ГОСТ Р 50339.0 (МЭК 60269-1-86) «Низковольтные плавкие предохранители. Общие требования».
  8. «Electromagnetic compatibility, surge, surge protection». Jaroslav Hudec, Hakel Ltd.
  9. «Зоновая концепция. Молниезащита», А. Л. Зоричев. Новости электротехники № 27, 28, 2004 г. 

А. Л. ЗОРИЧЕВ, заместитель директора
ЗАО «Хакель Рос».

90000 Practical tips for installing surge protection devices in low voltage panel 90001 90002 Introduction to SPD and its role 90003 90004 In an electrical systems, surge protection devices (SPDs) are usually installed in tap-off configuration (in parallel) between the live conductors and the earth. The operating principle of SPD can be similar to that of a circuit breaker. 90005 90006 Practical tips for installing surge protection devices in low voltage panel (photo credit: bdindustrial.com) 90004 90008 In normal use (no overvoltage): 90009 the surge protection device is similar to an open circuit breaker.90005 90004 90008 When there is an overvoltage: 90009 the surge protection device becomes active and discharges the lightning current to earth. It can be likened to the closing of a circuit breaker which would short-circuit the electrical network with the earth via the equipotential earthing system and the exposed conductive parts for a very brief instant, limited to the duration of the overvoltage. 90005 90004 For the user, the operation of the SPD is totally transparent 90008 as it only lasts a tiny fraction of a second 90009.90005 90004 When the overvoltage has been discharged, the SPD automatically returns to its normal state (circuit breaker open). 90005 90004 90008 Table of content: 90009 90005 90025 90026 Protection principles 90025 90026 Protection modes 90029 90026 Cascaded protection 90025 90026 Combination of several surge protection devices 90029 90034 90029 90026 Location of surge protection devices 90029 90026 Protected lengths 90025 90026 Effect of double voltage 90029 90034 90029 90034 90029 90026 Installing SPDs 90025 90026 Connecting SPDs 90025 90026 Bonding system or earth connection 90029 90026 Connection length 90029 90034 90029 90026 End of life protection of SPDs 90029 90026 Coordinating SPDs 90029 90034 90029 90034 90063 90002 1.Protection principles 90003 90066 1.1 Protection Modes 90067 90004 There are two lightning overvoltage modes: 90008 Common mode and Residual current mode 90009. 90005 90004 Lightning overvoltages appear mainly in common mode and usually at the origin of the electrical installation. Overvoltages in residual current mode usually appear in TT mode and mainly affect sensitive equipment (electronic equipment, computers, etc.). 90005 90074 90074 Common mode protection between phase / neutral and earth 90004 Phase / neutral protection in a TT earthing system is justified 90008 when the neutral on the distributor side is linked to a connection with a low value 90009 (a few ohms whereas the installation’s earthing electrode is several tens of ohms).90005 90080 90080 Residual current mode protection between phase and neutral 90004 The current return circuit is then likely to be via the installation neutral rather than the earth. 90005 90004 The residual current mode voltage U, between phase and neutral, can increase up to a value equal to the sum of the residual voltages of each element of the surge protection device, i.e. double the level of protection in common mode. 90005 90086 90086 Phase / neutral protection in a TT earthing system 90004 A similar phenomenon may occur in a TN-S earthing system if both the N and PE conductors are separate or not properly equipotential.The current is then likely to follow the neutral conductor on its return rather than the protective conductor and the bonding system. 90005 90004 A theoretical optimum protection model, which applies to all earthing systems, can be defined, although in fact surge protection devices nearly always combine common mode protection and residual current mode protection (except IT or TN-C models). 90005 90092 90004 It is essential 90008 to check that the surge protection devices used are compatible with the earthing system 90009.90005 90097 90004 Go back to Content Table ↑ 90005 90063 90066 1.2 Cascaded Protection 90067 90004 Just as overcurrent protection must be provided by devices with ratings appropriate to each level of the installation (origin, secondary, terminal) coordinated with each other, protection against transient overvoltages is based on a similar approach using a 90008 «cascaded» combination of several surge protection devices 90009. 90005 90004 Two or three levels of surge protection devices are generally necessary to absorb the energy and limit overvoltages induced by coupling due to high frequency oscillation phenomena.90005 90004 The example below is based on the hypothesis in which only 80% of the energy is diverted to earth (80%: empirical value dependent on the type of surge protection device and the electrical installation, but always less than 100%). 90005 90004 The principle of cascaded protection is also used for 90008 low current applications 90009 (telephony, communication and data networks), combining the first two levels of protection in a single device that is usually located at the origin of the installation.90005 90004 Spark gap based components designed to discharge most of the energy to earth are combined with varistors or diodes that limit the voltages to levels compatible with the equipment to be protected. 90005 90092 90004 90008 Terminal protection is generally combined with this origin protection. 90009 The terminal protection is close to the equipment, provided using proximity surge protection devices. 90005 90097 90004 Go back to Content Table ↑ 90005 90063 90126 1.2.1 Combination of several surge protection devices 90127 90004 In order to limit overvoltages as much as possible, a surge protection device must always be installed close to the equipment to be protected 3.90005 90004 However, this protection only protects equipment that is directly connected to it, but above all, 90008 its low energy capacity does not allow all the energy to be discharged 90009. 90005 90004 To do this, a surge protection device is necessary at the origin of the installation 1. 90005 90004 Likewise, surge protection device 1 can not protect the whole installation due to the fact that it allows an amount of residual energy to pass and that lightning is a high frequency phenomenon.90005 90004 Depending on the scale of the installation and the types of risk (exposure and sensitivity of equipment, criticality of continuity of service), circuit protection 2 is necessary in addition to 1 and 3. 90005 90140 90140 Cascaded protection 90004 Note that the 90008 first level of surge protection device (1) must be installed as far upstream as possible 90009 of the installation in order to reduce as much as possible the induced effects of the lightning by electromagnetic coupling.90005 90004 Go back to Content Table ↑ 90005 90063 90066 1.3 Location of surge protection devices 90067 90004 90008 For effective protection using surge protection devices, it may be necessary to combine several surge protection devices: 90009 90005 90025 90026 Main SPD ➀ 90029 90026 Circuit SPD ➁ 90029 90026 Proximity SPD ➂ 90029 90034 90004 Additional protection may be necessary depending on the scale (line lengths) and the sensitivity of the equipment to be protected (computing, electronic, etc.). If several surge protection devices are installed, 90008 very precise coordination rules must be applied 90009. 90005 90004 90168 90168 90005 90171 90172 90173 90174 90008 Origin of installation 90009 90177 90174 90008 Distribution level 90009 90177 90174 90008 Application level 90009 90177 90186 90173 90174 The protection at the origin of the installation (primary protection) shunts most of the incident energy (common 90063 mode overvoltage carried by the power system) to the equipotential bonding system and to earth.90177 90174 Circuit protection (secondary protection) supplements the origin protection by coordination and limits residual current mode overvoltages arising from the configuration of the installation. 90177 90174 Proximity protection (terminal protection) performs final peak limiting of the overvoltages, which are the most dangerous for equipment. 90177 90186 90196 90197 90004 It is important to keep in mind that the protection of the overall installation and equipment is only fully effective if: 90005 90025 90026 90008 Multiple levels of SPDs are installed (cascading) 90009 to ensure the protection of equipment located some distance from the origin of the installation: required for equipment located 30 m or more away (IEC 61643-12) or required if the protection level Up of the main SPD is higher than the category of equipment (IEC 60364-4-443 and 62305-4) 90029 90026 90008 All networks are protected: 90009 90025 90026 Power networks supplying the main building and also all secondary buildings, external lighting systems of car parks, etc.90029 90026 Communication networks: incoming lines and lines between different buildings 90029 90034 90029 90034 90004 Go back to Content Table ↑ 90005 90063 90066 1.4 Protected lengths 90067 90004 It is essential that the design of an effective voltage surge protection system takes account of the length of the lines supplying the receivers to be protected (see table below). 90005 90004 In fact, above a certain length, the voltage applied to the receiver may, 90008 by means of a resonance phenomenon 90009, considerably exceed the expected limiting voltage.The extent of this phenomenon is directly connected with the characteristics of the installation (conductors and bonding systems) and with the value of the current induced by the lighting discharge. 90005 90004 90008 A surge protection device (SPD) is correctly wired when: 90009 90005 90025 90026 The protected equipment is equipotentially bonded to the same earth to which the SPD is connected 90029 90026 The SPD and its associated backup protection are connected: 90025 90026 To the network (live wires) and to the main protective bar (PE / PEN) of the board with conductor lengths as short as possible and less than 0.5 m. 90029 90026 With conductors whose cross-sections are appropriate for the SPD requirements (see table below). 90029 90034 90029 90034 90004 Table 1 90008 — Maximum line length between SPDe and device to be protected 90009 90005 90171 90172 90173 90250 SPD position 90177 90250 At origin of installation 90177 90250 Not at origin of installation 90177 90186 90173 90250 Conductor cross-section 90177 90174 wiring 90063 (domestic) 90177 90174 large cables 90063 (industry) 90177 90174 wiring 90063 (domestic) 90177 90174 large cables 90063 (industry) 90177 90186 90173 90274 Composition oft he bonding system 90177 90174 PE conductor 90177 90174 <10 m 90177 90174 10 m 90177 90174 <10 m * 90177 90174 20 m * 90177 90186 90173 90174 meshed / equipotential 90177 90174 10 m 90177 90174 20 m 90177 90174 20 m * 90177 90174 30 m * 90177 90186 90196 90197 90004 * Protection recommended at the point of use if distance is greater 90005 90004 Go back to Content Table ↑ 90005 90063 90066 1.4.1 Effect of double voltage 90067 90004 Above a certain length d, the circuit protected by the surge protection device will start resonating when the inductance and capacitance are equal: 90005 90004 Lω = -1 / Cω 90005 90004 The circuit impedance is then reduced to its resistance. Despite the part absorbed by the surge protection device, the 90008 residual lightning current I 90009 on the circuit is still impulse-based. Its increase, due to resonance, will result in significant increases in the Ud, Uc and Urm voltages.90005 90004 Under these conditions, 90008 the voltage applied to the receiver can double 90009. 90005 90320 90320 Effect of double voltage 90004 Where: 90005 90324 90026 90008 C 90009 - capacity representing the load 90029 90026 90008 Ld 90009 - power supply line inductance 90029 90026 90008 Lrm 90009 - bonding system inductance 90029 90337 90004 The installation of surge protection devices must not adversely affect continuity of service, which would be contrary to the desired aim.They must be installed, in particular at the origin of domestic or similar installations (TT earthing systems), 90008 in conjunction with an S type delayed residual current device 90009. 90005 90092 90004 90008 Caution! 90009 If there are significant lightning strikes (> 5 kA), 90008 the secondary residual current devices may still trip 90009. 90005 90097 90004 Go back to Content Table ↑ 90005 90063 90002 2. Installing surge protection devices (SPDs) 90003 90066 2.1 Connecting SPDs 90067 90126 2.1.1 Bonding system or earth connection 90127 90004 Standards bodies use the generic term «earthing device» to designate both the concept of bonding system and that of an earthing electrode, making no distinction between the two. Contrary to received opinion, there is no direct correlation between the value of the earthing electrode, provided at low frequency to ensure the safety of people, and the effectiveness of the protection provided by surge protection devices. 90005 90092 90004 As demonstrated below, 90008 this type of protection can be established even in the absence of an earthing electrode 90009.90005 90097 90004 The impedance of the discharge circuit of the current shunted by the surge protection device can be broken down into two parts. 90005 90004 The first, the earthing electrode, is formed by conductors, which are usually wires, and by the resistance of the ground. Its essentially inductive nature means that its effectiveness decreases with the frequency, despite wiring precautions (limitation of length, 0.5 m rule). The second part of this impedance is less visible but essential at high frequency because it is in fact made up of the stray capacity between the installation and earth.90005 90004 Of course the relative values ​​of each of these components vary according to the type and scale of the installation, the location of the surge protection device (main or proximity type) and according to the earthing electrode scheme (earthing system). 90005 90004 However it has been proved that the voltage surge protector’s share of the discharge current can reach 90008 50 to 90% on the equipotential system 90009 whereas the amount directly discharged by the earthing electrode is around 10 to 50%.The bonding system is essential to maintain a low reference voltage, which is more or less the same across the whole installation. 90005 90004 The surge protection devices should be connected to this bonding system for maximum effectiveness. 90005 90004 The minimum recommended cross-section for the connection conductors takes account of the maximum discharge current value and the characteristics of the end of life protection device. 90005 90092 90004 It is unrealistic to increase this cross-section to compensate for connection lengths that do not comply with the 0.5 m rule. 90008 In fact, at high frequency, the impedance of the conductors is directly connected to their length. 90009 90005 90097 90004 In electrical switchboards and large sized panels, it may be a good idea to reduce the impedance of the link by using the exposed metal conductive parts of the chassis, plates and enclosures. 90005 90004 Table 2 90008 — Minimum cross-section of the SPD connection conductors 90009 90005 90171 90172 90173 90250 SPD capacity 90177 90174 Cross section (mm 90399 2 90400) 90177 90186 90173 90404 Class II SPD 90177 90174 90008 S 90009 Standard: Imax <15 kA (x 3-class II) 90177 90174 6 90177 90186 90173 90174 90008 E 90009 Increased: Imax <40 kA (x 3-class II) 90177 90174 10 90 177 90186 90173 90174 90008 H 90009 High: Imax <70 kA (x 3-class II) 90177 90174 16 90 177 90186 90173 90250 Class I SPD 90177 90174 16 90 177 90186 90196 90197 90004 The use of the exposed metal conductive parts of enclosures as protective conductors is permitted by 90008 standard IEC 60439-1 90009 as long as this has been certified by the manufacturer.90005 90092 90004 90008 It is always preferable to retain a wire conductor for connecting the protective conductors to the terminal block or the collector 90009, which then doubles the link made via the the exposed conductive parts of the enclosure chassis. 90005 90097 90004 Go back to Content Table ↑ 90005 90063 90126 2.1.2 Connection length 90127 90004 In practice it is recommended that the total length of the surge protection device circuit 90008 does not exceed 50 cm 90009. This requirement is not always easy to implement, but using the available exposed conductive parts nearby may help.90005 90456 90456 Total length of the surge protection device circuit 90004 90008 * 90009 may be installed on the same DIN rail. However the installation will be better protected if both devices are installed on 2 different DIN rails (SPD underneath the protection) 90005 90004 The number of lightning strikes that the surge protection device can absorb will decrease with the value of the discharge current (90008 from 15 strikes for a current at value In to a single strike at Imax / Iimp 90009).90005 90004 0.5 m rule In theory, when lightning strikes, the voltage Ut to which the receiver is subjected is the same as the protection voltage Up of the voltage surge protector (for its In), but in practice the latter is higher. 90005 90004 In fact, the voltage dips caused by the impedances of the surge protection device connection conductors and its protection device are added to this: 90005 90004 Ut = UI 90471 1 90472 + Ud + UI 90471 2 90472 + Up + UI 90471 3 90472 90005 90004 For example, the voltage dip in 1 m of conductor travelled over by a 10 kA impulse current for 10 μs will reach 1000 V.90005 90004 Δu = L × di / dt 90005 90324 90026 90008 di 90009 - Current variation 10,000 A 90029 90026 90008 dt 90009 - Time variation 10 μs 90029 90026 90008 L 90009 - inductance of 1 m of conductor = 1 μs 90029 90026 Value Δu to be added to the voltage Up 90029 90337 90004 The 90008 total length Lt 90009 must therefore be as short as possible. In practice 90008 it is recommended that 0.5 m is not exceeded 90009. In case of difficulty, it may be helpful to use wide, flat conductors (insulated braids, flexible insulated bars).90005 90504 90504 0.5 m SPD connection rule 90004 The earth link conductor of the voltage surge protector should not be green / yellow in the sense of the definition of a PE conductor. 90005 90004 Common practice is such that this marking is however frequently used. 90005 90004 Some wiring configurations can create couplings between the upstream and downstream conductors of the surge protection device, 90008 which are likely to cause the lightning wave to spread throughout the installation 90009.90005 90063 90126 SPD wiring configuration # 1 90127 90004 Upstream and downstream conductors connected on the voltage surge protector terminal with a common path. 90005 90519 90519 SPD wiring configuration 1 90126 SPD wiring configuration # 2 90127 90004 Input and output conductors physically well separated and connected on the same terminal. 90005 90525 90525 SPD wiring configuration 2 90126 SPD wiring configuration # 3 90127 90004 Connection conductors too long, output conductors physically separated.90005 90531 90531 SPD wiring configuration 3 90126 SPD wiring configuration # 4 90127 90004 Connection conductors as short as possible with return conductor from the earth terminal close to the live conductors. 90005 90537 90537 SPD wiring configuration 4 90004 Go back to Content Table ↑ 90005 90063 90066 2.2 End of life protection of SPDs 90067 90004 The surge protection device is a device whose end of life requires particular consideration. Its components age each time there is a lightning strike.90005 90004 At the end of life an internal device in the surge protection device disconnects it from the supply. An 90008 indicator 90009 (on the protector) and an optional 90008 alarm feedback 90009 (status feedback accessory fitted) indicate this status, which requires replacement of the module concerned. 90005 90004 If the surge protection device exceeds its limitation capacities, it may be destroyed by short-circuiting itself. A short-circuit and overload protection device must therefore be installed in series upstream of the surge protection device (this is commonly referred to the surge protection device branch).90005 90554 90554 Figure X - Installation principles surge protection devices with associated protection 90004 Contrary to certain received opinion, a voltage surge protector must always be protected against possible short-circuit and overload currents. And this applies to all voltage surge protectors, both class II and class I, irrespective of the types of components or technologies used. 90005 90004 This protection must be provided in accordance with the usual discrimination rules. 90005 90004 Go back to Content Table ↑ 90005 90063 90066 2.3 Coordinating SPDs 90067 90004 Arranging several surge protection devices in cascade requires them to be coordinated so that each of them absorbs the energy in an optimum way and limits the spreading of the lightning strike through the installation as much as possible. 90005 90004 The coordination of surge protection devices is a 90008 complex concept which must form the subject of specific studies and tests 90009. Minimum distances between surge protection devices or the insertion of decoupling chokes are not recommended by manufacturers.90005 90004 Primary and secondary surge protection devices must be coordinated so that the 90008 total energy to be dissipated (E1 + E2) 90009 is shared between them according to their discharge capacity. The recommended 90008 distance d1 90009 enables the voltage surge protectors to be decoupled and thus prevents too much of the energy passing directly into the secondary surge protection device with the risk of destroying it. 90005 90004 This is a situation which in fact depends on the characteristics of each of the surge protection devices.90005 90579 90579 Figure X - Coordinating SPDs 90004 Two identical voltage surge protectors. For example Up: 2 ​​kV and Imax: 70 kA) can be installed without the distance d1 being necessary: ​​the energy will be shared more or less equally between the two surge protection devices. But two different surge protection devices (for example Up: 2 ​​kV / Imax: 70 kA and Up: 1.2 kV / Imax: 15 kA) should be 90008 at least 8 m 90009 apart to avoid too much demand being placed on the second voltage surge protector.90005 90004 If not indicated, take 90008 d 90471 1 min 90472 (in metres) as being 1% of the difference between Up 90471 1 90472 and Up 90471 2 90472 (in volts) 90009. For example: 90005 90004 Up 90471 1 90472 = 2.0 kV (2000 V) and Up 90471 2 90472 = 1.2 kV (1200 V) 90063 90008 ⇒ d 90471 1 90472 = 8 m min. 90009 (2000 - 1200 = 800 >> 90008 1% of 800 = 8 m 90009) 90005 90004 Another example, if: 90005 90004 Up 90471 1 90472 = 1.4 kV and Up 90471 2 90472 = 1.2 kV 90008 ⇒ d 90471 1 90472 = 2 m min.90009 90005 90004 Go back to Content Table ↑ 90005 90004 90623 90008 Source: 90009 Protection against lightning effects by Legrand 90626 90005 .

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о