Если в вашем доме установлено множество дорогой бытовой техники, лучше позаботиться об организации комплексной защиты электросети. В этой статье мы расскажем об устройствах защиты от импульсных перенапряжений, зачем они нужны, какие бывают и как устанавливаются.
Природа импульсных перенапряжений и их влияние на технику
Многим с детства знакома суета с отключением от сети бытовых электроприборов при первых признаках надвигающейся грозы. Сегодня электрооборудование городских сетей стало более совершенным, из-за чего многие пренебрегают элементарными устройствами защиты. В то же время проблема не исчезла совсем, бытовая техника, особенно в частных домах, все еще находится в зоне риска.
Характер возникновения импульсных перенапряжений (ИП) может быть природным и техногенным. В первом случае ИП возникают из-за попадания молнии в воздушные ЛЭП, причем расстояние между точкой попадания и подверженными риску потребителями может составлять до нескольких километров. Возможен также удар в радиомачты и молниеотводы , подключенные к основному заземляющему контуру, в этом случае в бытовой сети появляется наведенное перенапряжение.
1 — удаленный удар молнии в ЛЭП; 2 — потребители; 3 — контур заземления; 4 — близкий удар молнии в ЛЭП; 5 — прямой удар молнии в громоотвод
Техногенные ИП непредсказуемы, они возникают в результате коммутационных перегрузок на трансформаторных и распределительных подстанциях. При несимметричном повышении мощности (только на одной фазе) возможен резкий скачок напряжения, предусмотреть такое почти невозможно.
Импульсные напряжения очень коротки по времени (менее 0,006 с), они появляются в сети систематически и чаще всего проходят незаметно для наблюдателя. Бытовая техника рассчитана выдерживать перенапряжения до 1000 В, такие появляются наиболее часто. При более высоком напряжении гарантирован выход из строя блоков питания, возможен также пробой изоляции в проводке дома, что приводит к множественным коротким замыканиям и пожару.
Как устроен и как работает УЗИП
УЗИП, в зависимости от класса защиты, может иметь полупроводниковое устройство на варисторах, либо иметь контактный разрядник. В нормальном режиме УЗИП работает в режиме байпаса, ток внутри него протекает через проводящий шунт. Шунт соединен с защитным заземлением через варистор или двумя электродами со строго нормируемым зазором.
При скачке напряжения, даже очень непродолжительном, ток проходит через эти элементы и растекается по заземлению или компенсируется резким падением сопротивления в петле фаза-ноль (короткое замыкание). После стабилизации напряжения разрядник теряет пропускную способность, и устройство снова работает в нормальном режиме.
Таким образом, УЗИП на некоторое время замыкает цепь, чтобы переизбыток напряжения мог преобразоваться в тепловую энергию. Через устройство при этом проходят значительные токи — от десятков до сотни килоампер.
В чем различие между классами защиты
В зависимости от причин возникновения ИП, различают две характеристики волны повышенного напряжения: 8/20 и 10/350 микросекунд. Первая цифра — это время, за которое ИП набирает максимальное значение, вторая — время спада до номинальных значений. Как видно, второй тип перенапряжений более опасный.
Устройства I класса предназначены для защиты от ИП с характеристикой 10/350 мкс, наиболее часто возникающих при разряде молнии в ЛЭП ближе 1500 м к потребителю. Устройства способны кратковременно пропустить через себя ток от 25 до 100 кА, практически все приборы I класса основаны на разрядниках.
УЗИП II класса ориентированы на компенсацию ИП с характеристикой 8/20 мкс, пиковые значения тока в них колеблются от 10 до 40 кА.
Класс защиты III предназначен для компенсации перенапряжений со значениями тока менее 10 кА при характеристике ИП 8/20 мкс. Устройства класса защиты II и III основаны на полупроводниковых элементах.
Может показаться, что достаточно установки только устройств класса I, как наиболее мощных, но это не так. Проблема в том, что чем выше нижний порог пропускного тока, тем менее чувствителен УЗИП. Другими словами: при коротких и относительно низких значениях ИП мощный УЗИП может не сработать, а более чувствительный не справится с токами такой величины.
Устройства с классом защиты III рассчитаны на устранение самых низких ИП — всего в несколько тысяч вольт. Они полностью аналогичны по характеристикам устройствам защиты, устанавливаемым производителями в блоках питания бытовой техники. При дублирующей установке они первыми принимают на себя нагрузку и предотвращают срабатывание УЗИП в приборах, ресурс которых ограничен 20-30 циклами.
Есть ли необходимость в УЗИП, оценка рисков
Полный перечень требований к организации защиты от ИП изложен в МЭК 61643-21, определить обязательность установки можно по стандарту МЭК 62305-2, согласно которому устанавливается конкретная оценка степени риска удара молнии и вызванных им последствий.
В целом при электроснабжении от воздушных ЛЭП установка УЗИП I класса почти всегда предпочтительна, если только не был выполнен комплекс мероприятий по снижению влияния гроз на режим электроснабжения: повторное заземление опор, PEN-проводника и металлических несущих элементов, устройство громоотвода с отдельным контуром заземления, установка систем уравнивания потенциалов.
Более простой способ оценить риск — сопоставить стоимость незащищенной бытовой техники и устройств защиты. Даже в многоэтажных домах, где перенапряжения имеют весьма низкие значения при характеристике 8/20, риск пробоя изоляции или выхода из строя приборов достаточно велик.
Установка устройств в ГРЩ
Большинство УЗИП имеют модульное исполнение и могут быть установлены на DIN-рейку 35 мм. Единственное требование — щит для установки УЗИП должен иметь металлический корпус с обязательным подключением к защитному проводнику.
При выборе УЗИП, помимо основных рабочих характеристик, следует учитывать также номинальный рабочий ток в режиме байпаса, он должен соответствовать нагрузке в вашей электросети. Другой параметр — максимальное напряжение ограничения, оно не должно быть ниже самого высокого значения в рамках суточных колебаний.
УЗИП подключаются последовательно к питающей однофазной или трехфазной сети, соответственно через двухполюсный и четырехполюсный автоматический выключатель. Его установка необходима на случай спаивания электродов разрядника или пробоя варистора, что вызывает постоянное короткое замыкание. На верхние клеммы УЗИП подключают фазы и защитный проводник, на нижние — нулевой.
Пример подключения УЗИП: 1 — ввод; 2 — автоматический выключатель; 3 — УЗИП; 4 — шина заземления; 5 — контур заземления; 6 — счетчик электроэнергии; 7 — дифференциальный автомат; 8 — к автоматам потребителей
При установке нескольких защитных устройств с разными классами защиты требуется их согласование с помощью специальных дросселей, подключенных последовательно с УЗИП. Защитные устройства встраиваются в цепь по возрастанию класса. Без согласования более чувствительные УЗИП будут принимать основную нагрузку на себя и раньше выйдут из строя.
Установки дросселей можно избежать, если протяженность кабельной линии между устройствами превышает 10 метров. По этой причине УЗИП I класса монтируют на фасаде еще до счетчика, защищая от перенапряжений учетный узел, а второй и третий класс устанавливают, соответственно, на ВРУ и этажных/групповых щитках.
Во время грозы в сети часто возникают импульсные помехи. Также их можно наблюдать при поломке трансформатора. Для защиты электрооборудования в доме используются специальные устройства УЗИП. Устанавливаются они в щитки разных комплектаций.
Различие модификаций заключается в величине параметров выходного напряжения, пороговой частоты и проводимости. Стандартная модель состоит из блока и контактов. Резисторы устанавливаются различных типов. Модулятор в устройствах соединяется с трансивером. В данном элементе имеются проводники, а также триод. Для того чтобы больше узнать об УЗИП, следует рассмотреть принцип работы модели.
Принцип работы
На рынке представлены различные устройства защиты от импульсных перенапряжений. Принцип работы их основан на изменении проводимости. Для этого в устройстве имеются контакты. Стабилизация пороговой частоты осуществляется за счет модулятора. Триод играет роль проводника. При подаче напряжения на выходные контакты параметр проводимости тока меняется. Если рассматривать устройства с расширителем, то у них контакты устанавливаются на пластине. Изменение положения элементов осуществляется за счет работы резистора.
Схема подключения устройств первой степени
Устройства защиты от импульсных перенапряжений первой степени подходят для щитков серии РВ. В данном случае для подключения моделей используется трансивер. Выходное напряжение в среднем обязано составлять 14 В. Параметр проводимости УЗИП зависит от Как правило, они используются с усилителем. Для подключения контактов применяются фиксаторы. Параметр пороговой проводимости в среднем равен 4,5 мк.
Перед подключением УЗИП проверяется общее сопротивление в цепи. Указанный параметр для устройств первой серии равен 50 Ом. Также модификации указанного типа подходят для щитков типа СР. Они установлены во многих жилых домах. Подключение к щитку происходит через трансивер. Параметр общего сопротивления в цепи не должен превышать 55 Ом. Для щитков серии РР устройство не подходит из-за высокой проводимости тока.
Применение модификаций второй степени
Устройства защиты от импульсных перенапряжений второй степени - это устройства, которые подключаются к щиткам серии РР. В данном случае соединение осуществляется за счет проводников. Если рассматривать модификации на расширителях, то модуляторы используются с обкладкой. Перед подключением оборудования проверяется выходное напряжение на стабилизаторе. Указанный параметр колеблется в районе 13 В. Расширитель используется двухконтактного типа.
Если рассматривать щитки серии РР20, то у них установлен изолятор. Для подключения УЗИП используется сеточный триод. Наиболее часто он применяется на Также важно отметить, что в щитках серии РР21 имеются интегральные выпрямители. Указанные элементы необходимы для преобразования тока.
Устройства защиты третьей степени
Устройства защиты от импульсных перенапряжений третьей степени подходят для щитков, у которых используется динистор проходного типа. Получение оборудования осуществляется через демпфер. Контакты для соединения подбираются с медной обкладкой. Параметр общего сопротивления должен составлять около 40 Ом. Если рассматривать щитки серии РР19, то тиристор используется с усилителем. В некоторых случаях модификации выпускаются с конденсаторными резисторами.
Подключение элементов указанного типа происходит с адаптером и без него. Если рассматривать первый вариант, то варикапы берутся переменного типа. Показатель общего сопротивления в среднем равен 30 Ом. Если рассматривать второй вариант, то варикапы разрешается использовать переменного типа. Параметр пороговой перегрузки устройств составляет около 3 А. Также важно отметить, что у моделей используются фильтры магнитного типа.
Однополюсные модификации РН-101М
Однополюсные устройства защиты от импульсных перенапряжений - что это такое? Указанные приборы представляют собой контактные блоки, которые подходят для сетей с переменным током. Они часто подключаются к трансформаторам, у которых используется высоковольтное реле. В жилых домах устройства используются редко. Отличие моделей также заключается в выпрямителе. Он используется на демпферной основе. Параметр общего сопротивления в среднем равен 22 Ом.
Также важно отметить, что выходное напряжение составляет около 200 В. Внутри устройства используются контакты, а также модулятор. Пластины чаще всего устанавливаются в горизонтальном положении. Трансивер для подключения подбирается линейного типа. Многие модификации оснащены тетродами. Для их нормальной работы применяются преобразователи. Наиболее часто они производятся с выпрямителем.
Схема подключения двухполюсной модификации РН-105М
Двухполюсные устройства защиты от импульсных перенапряжений разрешается подключать через пентоды. Параметр общего сопротивления должен составлять 40 Ом. Также важно отметить, что контакты устройства соединяются с динистором напрямую. У многих элементов используется компаратор. Указанный элемент дает возможность устанавливать поворотный регулятор.
Для щитков серии СР модель подходит. В данном случае проводимость зависит от модулятора УЗИП. Если он используется интегрального типа, то вышеуказанный показатель в среднем составляет 2,2 мк. Также у моделей часто устанавливается дуплексный модулятор. Параметр проводимости в цепи в среднем равен 3 мк.
Применение моделей серии АВВ
Устройства защиты от импульсных перенапряжений АВВ часто устанавливаются в жилых домах. Если рассматривать щитки типа РР, то подключение конденсаторов происходит через расширитель. Непосредственно модулятор соединяется с демпфером. Во многих случаях выпрямитель не требуется. Если рассматривать щиток с обкладкой, то для нормальной работы устройства используется триод. Указанный элемент способен работать только с магнитным фильтром. Параметр проводимости тока в цепи составляет около 4 мк. Показатель общего сопротивления равен 40 Ом.
Устройства серии ZUBR D40
D40 устройства защиты от импульсных перенапряжений - что это? Указанные приборы являются блоками, в которых расположены контакты. Подходят они для щитков, у которых имеется трансивер операционного типа. Модулятор к прибору подсоединяется через компаратор. Параметр проводимости в среднем равен 5 мк. Также важно отметить, что модулятор разрешается подключать без обкладки. В некоторых случаях используется демпфер. Указанный элемент играет роль стабилизатора.
Трансивер в щитке соединяется с контактами. Если рассматривать щитки серии РР20, то важно отметить, что у них имеется адаптер. Указанный элемент часто установлен с регулятором. Для подключения УЗИП необходим импульсный конденсатор. Указанный элемент должен иметь проводимость на уровне 6 мк. Показатель общего сопротивления в среднем равен 12 Ом.
Схема прибора серии ZUBR D42
Применение устройств защиты от импульсных перенапряжений указанной серии очень ограниченное. Для высоковольтных трансформаторов они подходят. Контакты у модели используются с пластинами. Для подключения устройства к высоковольтному оборудованию используются демпферы. Если рассматривать электродные модификации, то подсоединение осуществляется благодаря триоду. Также есть модификации с операционными демпферами. У них есть регулятор фазового типа. Для щитков серии РР указанная модель не подходит.
Применение моделей серии ZUBR D45
От импульсных перенапряжений указанной серии отличается высокой проводимостью. Контакты у него установлены на пластинах. Варикап в данном случае используется с подкладкой. Фильтры у модели применяются проводного типа. Для щитков серии РС устройства подходят. Подключение модулятора осуществляется через транзистор. Параметр общего сопротивления должен составлять около 20 Ом. Также важно обращать внимание на выходное напряжение.
Если использовать демпфер, то указанный параметр в среднем равен 12 В. Также в щитках серии РС часто используются динисторы. В такой ситуации выходное напряжение не превышает 15 В. Также УЗИП указанной серии можно подключать к щиткам типа РР19. В данном случае демпфер применяется многоканального типа. Динистор используется без фильтров. Модулятор подключается к сети через транзистор. Параметр выходной проводимости должен составлять около 4 мк. Показатель общего сопротивления лежит в районе 40 Ом.
Устройства серии TESSLA D32
Устройства данной серии производятся с проходными модуляторами. Контакты у них применяются подвижного типа. Для щитков серии РР20 указанное устройство используется часто. Модулятор подсоединяется через расширитель. Чаще всего он используется с преобразователем. Для решения проблем с повышением частоты устанавливается тетрод.
Если рассматривать щитки серии РР10, то в них имеется кенотрон. Указанный элемент устанавливается на два или три выхода. В первом варианте модулятор устройства подключается через демпфер. Параметр выходной проводимости у него равен 3,3 мк. Общее сопротивление в цепи составляет 30 Ом. Если рассматривать второй вариант, то для УЗИП потребуется динистор.
Схема прибора серии TESSLA D35
Это компактное и высоковольтное устройство защиты от импульсных перенапряжений. Схема подключения модификации предполагает использование демпфера. Если рассматривать щитки типа РР19, то он применяется электродного типа. Динистор используется с обкладкой. Фильтры могут устанавливаться проходного либо сетевого типа. Модулятор УЗИП подсоединяется через расширитель.
Также устройство подходит для щитков серии РР20. Компараторы в них применяются переменного типа. Модулятор в таком случае подсоединяется со стабилитроном. Параметр выходной проводимости в среднем равен 3,5 мк. Показатель общего сопротивления составляет около 45 Ом.
Применение моделей серии TESSLA D40
Устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) указанной серии подходит для трансформаторов, у которых установлен резистор. Модулятор к оборудованию подключается через демпфер. Чаще всего фильтры используются проходного типа. Показатель выходной проводимости в среднем равен 3 мк. Параметр общего сопротивления не превышает 55 Ом. Транзисторы в устройствах указанной серии используются без пластин. Всего у модели имеется три пары контактов. Выходной разъем находится в нижней части конструкции. Для щитков серии РР модель не подходит.
Устройства серии VC-115
Устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) указанной серии подключается без обкладки. Для щитков типа РР20 модель подходит. Модулятор разрешается подключать через демпфер либо динистор. В первом варианте необходим выпрямитель. Фильтр применяется проходного типа. Для увеличения пороговой частоты необходим выпрямитель. Если рассматривать схему с расширителем, то нормализовать выходную частоту можно только за счет конденсаторов. Параметр выходной проводимости в среднем составляет 4 мк. Общее сопротивление в цепи равно 40 Ом.
Схема прибора серии VC-122
Устройство защиты от импульсных перенапряжений и помех указанной серии подходит для понижающих трансформаторов. Также модель активно используется в щитках серии РС. В первую очередь важно отметить, что у модели применяется высоковольтный модулятор. Параметр выходной проводимости у него равен 2 мк. Для щитков РС19 модель подходит. Модулятор в данном случае подсоединяется через обкладку.
Фильтры разрешается использовать лишь проходного типа. Если рассматривать щитки серии РС20, то у них имеется демпфер. Расширитель для подключения используется магнитного типа. Также важно отметить, что понижающие трансформаторы на 200 В применяться не могут.
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
Причины возникновения импульсных перенапряжений
Бытовая электротехника изготовлена на полупроводниках и микропроцессорах, которые имеют слабую изоляцию. Эта техника может выйти из строя даже при небольшом импульсном скачке напряжения. Поэтому для защиты электрооборудования от импульсных перенапряжений применяются ограничители импульсных перенапряжений УЗИП.
Причин возникновения импульсных помех несколько. Это удары молнии в линию электропередач или в металлические конструкции, которые находятся рядом с потребителями электроэнергии. Поражение молнией устройств молниезащиты , разряды молний в облаках и близкие удары молний, также наводят электрические импульсные помехи в системе энергоснабжения.
Переключение больших индуктивных и емкостных нагрузок на энергоемких предприятиях, короткое замыкание в сети. Еще на предприятиях во время работы мощных электроустановок создаются электромагнитные помехи.
Устройство защиты от импульсных перенапряжений УЗИП
Работа устройства УЗИП похожа на работу ограничителя перенапряжений имеющих вольтамперную характеристику. Для осуществления качественной защиты от импульсных перенапряжений создают трехступенчатую защиту. Каждая ступень рассчитана на свою величину уровня помех и свою крутизну фронта импульса.
Так УЗИП-I рассчитан на амплитуду помех 25-100 кА с длительностью фронта импульса 350 мкс. УЗИП-II отсекает уровень амплитуды импульсов значением 15-20кА. Защищает это устройство от импульсных помех, вызванных переходными процессами в распредсетях. УЗИП-III предназначен для установки рядом с нагрузкой, и защищает электрооборудование от остаточных импульсных перенапряжений.
Все модули УЗИП крепятся на din-рейке, что удобно при быстрой замене неисправного импульсного блока. Чтобы согласовать работу и временную задержку всех трех ступеней, расстояние между которыми не должно быть меньше 5 метров (для УЗИП на нелинейных элементах — варисторах).
Уменьшение импульсных перенапряжений после каждой ступени защиты УЗИП
Такое расстояние проводников вызвано временной задержкой, которая необходима для нарастания импульса на следующей ступени УЗИП, Эта задержка дает возможность отработать предыдущей ступени, тем самым защитить последующие УЗИП от перегрузки.
Когда длина проводников меньше 5 метров, то ставят компенсационные индуктивности, которые рассчитывают с учетом 1 мкГ/м. Чтобы компенсировать длину проводов в 5 метров, нужно ставить индуктивность 5 мГ. В электросети частного дома УЗИП-I нужно ставить на вводе электрощита ,
Схема подключения одного УЗИП в частном доме
УЗИП-II после счетчика и несколько УЗИП-III перед каждым потребителем электроэнергии. Компенсационную индуктивность 5 мГ ставят перед УЗИП-II и УЗИП-III. Это способ защиты дает наилучшие результаты.
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.
