С каждым годом совершенствуется конструкция и технические параметры УЗИП , что приводит к снижению времени сервисного обслуживания и контроля этих устройств, а также к повышению их надежности. Однако нельзя полностью исключить повреждение и поломку этих устройств. Например, при сильной грозовой активности может произойти неоднократное попадание прямых ударов молний в защищаемый энергообъект (электрическую подстанцию) или на территорию вблизи него в течение одной грозы.

Применение УЗИП

Также следует учитывать то обстоятельство, что УЗИП, которые используются в слаботочных электросетях и в информационных сетях, с течением времени подвергаются старению, что означает постепенную потерю способностей по эффективному ограничению импульсных перенапряжений искусственного и естественного характера.

Процесс старения особенно быстро протекает при частых грозовых ударах значительной мощности, повторяющихся вна протяжении секунд или минут. При этом достигаются максимальные амплитуды импульсных токов, которые допустимы для УЗИП (Imax = 8/20 мкс и Iimp = 10/350 мкс).

Повреждение защитных устройств происходит из-за перегрева корпусных деталей при протекании сильных разрядных токов значительной интенсивности. Характер повреждений защитных устройств зависит от типа УЗИП .

• В газонаполненных разрядниках с металлокерамическими корпусами происходит утечка газов и последующее разрушением корпуса прибора.
• В УЗИП варисторного типа в результате теплового пробоя изменяется структура кристалла вплоть до его полного разрушения.
• Защитные устройства, основанные на использовании открытых искровых промежутков, могут вызвать выброс перегретых газов и повреждение элементов элекрического шкафа.

В отдельных случаях отмечалась сильная деформация металлических частей распределительного шкафа, что можно сравнить с разрушениями от взрыва боевой гранаты. Поэтому при эксплуатации подобных УЗИП в электрических распределительных щитах требуется неукоснительное соблюдение мер противопожарной безопасности. Исходя из вышеуказанных причин, предприятия-изготовители УЗИП настоятельно рекомендуют проводить своевременный контроль защитных устройств на предмет сохранения работоспособности, в том числе после прохождения сильного грозового фронта. Для проверки устройств используются специальные тестеры, приспособленные для контроля и обслуживания защитных устройств от импульсного перенапряжения .

Визуальный осмотр или применение универсальной измерительной аппаратуры являются недостаточно эффективными мероприятиями для обнаружения многих неисправностей, так как:

• Газонаполненный разрядник с металлокерамическим корпусом требует не только внешнего осмотра, но разборки корпуса для определения состояния внутренних частей. Но даже такая поверка не позволяет обнаружить потерю газового разряда. Поэтому для корректного контроля напряжения зажигания газонаполненного (грозового) разрядника следует использовать специальный тестер.
• Варистор может иметь повреждения при отсутствии сигналов о выходе из строя устройства. При некорректной вольтамперной характеристике наблюдается утечка токов до 1 мА, что не всегда можно зафиксировать обычными тестерами. Для получения достоверных результатов производится измерение характеристики варистора как минимум в двух точках (при 0,010 мА и при 1 мА) с использованием источника тока с большим подъёмом напряжения (диапазон 1- 1,5 кВ).
• Для проверки УЗИП с открытым искровым промежутком необходимо демонтировать данное устройство и провести контрольные измерения при помощи генератора импульсного тока с временем 10/350 мкс.

Современные устройства для защиты от импульсных перенапряжений работают на основе принципа выравнивания потенциалов между фазным (L) и рабочим (PEN или N) проводником. УЗИП всегда подключаются параллельно нагрузке. При выходе из строя защитного устройства (например, при пробое изоляции или при разрушении нелинейного элемента у газонаполненных разрядников и варисторов) или при потери работоспособности искровых разрядников (невозможность гашения импульсного тока) между проводниками возникает короткое замыкание, что чревато угрозой повреждения энергообъекта или возникновением пожара.

В действующих стандартах МЭК содержится два обязательных способа для защиты объектов с рабочим напряжением 220 и 380 В:

• Защитные устройства теплового отключения (тепловая защита); используются в варисторах.
• Быстродействующие предохранители для защиты всех типов УЗИП от токов короткого замыкания

В УЗИП варисторного типа предусмотрена тепловая защита, обеспечивающая работоспособность устройств при длительной эксплуатации. Однако, вследствие износа варистора, который связан с частыми воздействиями токов с большой амплитудой, происходит критическое разрушение P-N переходов в структуре защитного устройства. В результате снижается важнейший параметр варистора – максимальное допустимое рабочее напряжение Uc.

Данный параметр устанавливается в соответствии с фактическим напряжением в электрической сети и указывается предприятием-изготовителем варистора в его паспортных данных и на корпусе устройства. Например, на корпусе УЗИП варисторного типа указано значение наибольшего допустимого напряжения Uc = 300 В. Данное устройство будет нормально выполнять свои защитные фунции в сети с напряжением 220В даже при кратковременном увеличении напряжения до 300 В.

Достаточный запас по напряжению обеспечивает работоспособность варистора при скачках напряжения и позволяет эффективно рассеивать энергию при импульсных перенапряжениях. В процессе неизбежного «старения» защитного устройства реальное значение Uc заметно снижается и может оказаться ниже, чем номинальное напряжение в электрической сети объекта. В результате увеличения токов утечки через УЗИП, произойдёт перегрев и деформация корпуса защитного устройства, фазные клеммы могут проплавить пластиковый корпус и вызвать короткое замыкание на металлический профиль для крепления модульного оборудования (DIN-рейка).

Учитывая вышеизложенное, для должной защиты энергообъектов рекомендуется использовать варисторы, снабженные терморазмыкателем (тепловая защита). Данные устройства отличаются особой надёжностью в работе и очень простой конструкцией: контакт с пружиной припаян к одному из выводов УЗИП, связанному с охранно-пожарной сигнализацией. Отдельные устройства имеют контакты для подключения автономной сигнализации, предназначенной для подачи сигнала при неисправностиУЗИП.

При неполадках или повреждениях защитного устройства на пульт диспетчера или на вход автоматической системы по обработке и передаче данных поступает соответствующая информация (Рис. 1).

При длительном превышении фактического напряжения в электрической сети над наибольшим предельно допустимым длительным рабочим напряжением УЗИП (Uc) часто возникает аварийная ситуация. Например, подобное может случиться при обрыве или обгорании нулевого провода при входе в трансформатор (3-хфазная сеть с глухозаземлённой нейтралью). В этом случае к нагрузке прикладывается линейное напряжение, равное 380 Вольт. Как и положено, защитное устройство сработает пропуская через себя ток, по величине равный току короткого замыкания, достигающего сотен ампер.

Вследствие инертности конструкции тепловая защита реагирует с небольшим запозданием, которого вполне достаточно для полного разрушения варистора и сохранения режима КЗ через образовавшуюся дугу. Из-за расплавления корпуса защитного устройства возможно замыкание клемм УЗИП на DIN-рейку или на металлические части электрического шкафа. Данная ситуация возможна не только при использовании УЗИП варисторного типа, но на защитных устройствах с газовыми разрядниками, у которых отсутствует тепловая защита.

На рис. 2 продемонстрирован реальный случай, произошедший на одной из подстанций. Выход из строя УЗИП варисторного типа привёл к возгоранию в главном распределительном щите.

На рис. 3 показаны остатки от варистора, ставшего причиной возгорания в ГРЩ.

Для исключения подобных ситуаций следует устанавливать последовательно вместе с УЗИП тепловые предохранители, обладающие характеристиками срабатывания gG по ГОСТ Р 50339.0-92 (МЭК 60269-1-86) или gL по стандартам VDE 0636 (Германия). Большинство изготовителей УЗИП в каталогах продукции приводят технические требования, включающие номинальные значения и тип характеристики срабатывания тепловых предохранителей, предназначенных для дополнительной защиты от токов КЗ. Для этих целей применяются предохранители типа gG или gL, защищающие проводку и распределительные устройства от импульсных перегрузок и коротких замыканий.

Данный тип тепловых предохранителей отличается повышенной стойкостью к значительным токам импульсного перенапряжения и крайне малым временем срабатывания (в 10...100 раз быстрее, чем аналогичные автоматические выключатели). В ходе экспериментальных испытаний установлены и практикой подтверждены случаи повреждения автоматических выключателей или подгорания (приваривания) контактов вследствие длительного или частого воздействия импульсных перенапряжений. В результате автоматический выключатель выходит из строя и не может выполнять защитные функции.

Различные варианты применения тепловых предохранителей имеют свои особенности, которые необходимо брать в расчёт ещё на стадии проектирования электрощитовой продукции и схем электроснабжения энергообъектов. Например, если для защиты от КЗ будут применяться только вводные предохранители (общая защита), то при первом коротком замыкании в УЗИП любой ступени, будет отключен от питания весь объект или его часть.

Использование тепловых предохранителей, установленных последовательно с основным защитным устройством, гарантирует исключение подобной ситуации. Но при этом возникает вопрос подбора правильных предохранителей, с учётом очередности срабатывания каждого из них. Для решения этой проблемы следует прислушаться к рекомендациям предприятий-изготовителей УЗИП и применять предохранители таких типов и номиналов, которые предназначены для эксплуатации с конкретным защитным устройством.

На рис.4 продемонстрированы схемы установки предохранителей F7...F12 в TN-S сеть 220/380 В.

При использовании в рассматриваемой схеме разрядников HS55 в I ступени защиты и УЗИП варисторного типа (PIII280) во II ступени защиты (Рис. 4) применение предохранителей F7 ...F9 и F10...F12 зависит от номинального значения предохранителей F1...F3:

• При значении F1...F3 свыше 315 А gG, значения F7...F9 соответствуют 315 А gG и и F10...F12 – 160 А gG.
• При значении F1 ...F3 от 160 до 315 А gG, можно обойтись без предохранителей F7...F9. Предохранители F10...F12 равны 160 А gG.
• При значении F1...F3 до 160 А gG, предохранители F7...F12 не требуются.

В отдельных случаях требуется, чтобы при возникновении в УЗИП короткого замыкания не срабатывал общий предохранитель, устанавливаемый на вводе трансформатора. Для этого в цепи каждого защитного устройства устанавливаются предохранители, которые выбираются с коэффициентом 1,6. Например, если общий предохранитель имеет номинальное значение 250 А gG, то предохранитель установленный последовательно с УЗИП должен быть номиналом в 160 А gG.

Использование автоматических выключателей для этой цели нецелесообразно: прежде всего из-за увеличенного времени срабатывания и недостаточной стойкости к импульсным перенапряжениям значительной величины и продолжительности.

Отдельные предприятия-изготовители защитных устройств предлагают УЗИП I и II класса модульного исполнения.

Конструкция подобных устройств включает базу, устанавливаемую на металлическую DIN-рейку, и сменный модульный элемент, оснащённый варистором или газовым разрядником с ножевыми контактами. На первый взгляд, подобная конструкция УЗИП, по сравнению с монолитным корпусом, кажется более удобной в эксплуатации и выгодной по стоимости. Однако подобная конструкция имеет ограничения по импульсным токам: Imax равняется 25 kA (для волны 8/20 мкс) и Iimp составляет не более 20 kA (для волны 10/350 мкс). Несмотря на это обстоятельтво, ряд производителей УЗИП показывают в рекламных проспектах максимальные разрядные способности защитных устройств, доходящие Imax до 100 kA (с формой импульса 8/20 мкс) и Iimp до 25 kA (форма импульса 10/350 мкс).

Однако фактические результаты испытаний расходятся с заявлениеми производителей. При ударе испытательного импульсного тока с подобной амплитудой возникают разрушения и пережоги ножевых контактов у сменного модуля и отмечаются повреждения контактов клемм в базе. На рис.5 представлены доказательства разрушительного воздействия испытательного импульса тока Imax равного 50 kA (форма импульса 8/20 мкс) на механическую часть УЗИП модульной конструкции.

После подобных воздействий импульсного тока будет крайне сложно извлечь вставной элемент из базы, так как возможно приваривание контактов друг к другу. Если вставку удастся благополучно вытащить из базы, последняя придёт в негодность: обгоревшие контакты увеличат переходное сопротивление, что повлечёт изменение уровня защиты данного УЗИП.

Рис.5

Для исключения подобных последствий УЗИП с модульной конструкцией следует применять только в тех случаях, когда возможные импульсные перенапряжения гарантированно не превысят предельно допустимых значений. Для достижения этого необходим корректный выбор типов и классов защитных устройств для конкретного энергообъекта и согласование технических параметров УЗИП между всеми ступенями защиты.

Среди вторичных источников питания чаще всего применяется выпрямитель. Укоренившаяся практика установки защитных устройств (варисторов, разрядников и др.) внутри блоков выпрямителя или непосредственно на платах не обеспечивает должную защиту оборудования подстанции. Как правило, подобные варисторы по своим параметрам относятся к III классу защиты, в соответствии с положениями ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98).

Данные устройства рассчитаны на токи порядка 7...10 кА с формой импульса 8/20 мкС. На многих предприятиях эксплуатирующих энергообъекты, данный тип защитных устройств считается вполне приемлемым и поэтому не принимаются другие меры по дополнительной защите технологического оборудования подстанции.

При отсутствии дополнительных внешних УЗИП более высокого класса и в случае длительных превышений номинального напряжения питающей электрической сети возможны следующие типовые аварийные ситуации:

• При срабатывания варистора будут возникать токи значительной силы, которые пройдут через печатные платы и провода напрямую к заземляющей клемме, расположенной на стойке. Это как правило приводит к разрушению печатных проводников на платах и к появлению вторичных токов на незащищенных цепях, что в свою очередь выведет из строя электронные компоненты выпрямительного устройства.
• Если импульсные токи превысят максимальное допустимое значение, установленное изготовителем для данной модели варистора, возможно возгорание или разрушение защитного устройства, что является серьезной угрозой для самого выпрямителя.
• Иная ситуация наблюдается ели при действующее напряжение в электрической сети длительно превышает свое значение над максимально допустимым рабочим напряжением, установленным техническими условиями для данного типа варистора. В результате воздействия импульсного перенапряжения возникает вероятность обгорания печатных плат и внутренних проводов. При взрыве варистора возможны значительные механические повреждения выпрямителя.

На рис.6 показаны примеры поврежденных плат

Для решения проблем перечисленных в пункте I, наиболее оптимальным является вариант установки УЗИП, при котором защитные устройства располагаются в отдельном щитке или размещаются в стандартных силовых шкафах и распределительных электрощитах электроустановки энергообъекта. Использование дополнительных внешних УЗИП обеспечивает защиту выпрямителя от больших импульсных токов и позволяет соответственно уменьшить до предельно допустимого (7 ...10 кА) расчётные значения величин импульсных токов, проходящие через варисторные УЗИП, непосредственно встроенные в выпрямитель.

Для защиты оборудования подстанции от повышенного напряжения в сети (пункт II) рекомендуется применять устройства для контроля напряжения фазы или аналогичные приборы. На рис. 7 показана схема подключения устройства РКФ-3/1, предназначенного для контроля фаз.

Выбор конкретной схемы для защиты промышленного энергообъекта зависит от конфигурации оборудования, высоты антенно-мачтовых сооружений и типа ввода линий электропитания (подземный или воздушный). Для энергообъектов, имеющих высотные АМС или обладающих воздушным вводом линий электропитания с рабочим напряжением 220/380 В, применяют как минимум 2-х ступенчатые схемы для защиты от токов импульсного перенапряжения, в которых используются УЗИП I и II класса защиты (ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98) «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах).

• Для цепей L-N – 1-фазные грозовые разрядники, выдерживающие импульсные токи при прямом попадании молнии (10/350 мкс с амплитудным значением свыше 50 кА), с уровнем защиты (1Гр) более 4 кВ и способные автоматически гасить электрические дуги с токами не менее 4 кА.
• Для цепей N-PE – грозовые разрядники, способные пропускать импульсные токи перенапряжения (10/350 мкс, с амплитудой до 120 кА), обеспечивающие минимальный уровень защиты (UP) не менее 2 кВ и способные гасить возникающие импульсные токи силой до 300 А. Данные разрядники не применяются в 4-х проводных схемах электропитания для сетей типа ТN-С.

• В цепях L-N – 1-фазные (3-х фазные) защитные устройства варисторного типа, способные выдержать максимальный импульсный ток до 40 кА (8/20 мкс) с уровнем защиты (UP) более 1,5 кВ.
• В цепях N-PE – грозовые разрядники II класса защиты, способные выдерживать наибольшие импульсные токи перенапряжения с амплитудой до 50 кА (8/20 мкс) и обладающие уровнем защиты (UP) от 1,5 кВ. В распределительных сетях ТN-С установка данных разрядников не обязательна.

Схемы включения УЗИП для защиты электропитающих сетей типа ТN-С-S и ТN-S приведены на Рис. 4 ...11. При монтаже защитных устройств следует выдерживать расстояние между смежными ступенями защиты (не менее десяти метров), измеренное по силовому электрическому кабелю. Данное требование является крайне важным – его соблюдение обеспечивает безотказную работу защитных устройств. При размещении защитных устройств I и II ступеней на меньшем расстоянии или при их расположении в одном и том же месте, следует установить дополнительное согласующее устройство (разделительный дроссель импульсного типа).

Для энергообъектов, использующих схему с подземным кабельным вводом электропитания, допустимо применение варисторных УЗИП комбинированного типа, которые по своим входным техническим параметрам полностью соответствуют требованиям к техническим устройствам II класса защиты (способность выдерживать импульсные токи до 25 кА с формой амплитуды 10/350 мкс). По выходным техническим параметрам (степень защиты UP (1 300...1 700 В), импульсный ток с формой амплитуды 8/20 мкс) они также должны подходить под требования для УЗИП II класса защиты. Использование данных защитных устройств позволяет полностью отказаться от применения разделительных дросселей.

Пример подобных УЗИП для энергообъекта, обладающего 2-мя подземными вводами электрического питания, привёден на Рис. 8. Отказ от схемы с использованием разделительных дросселей в пользу варисторных УЗИП позволяет получить экономию до 40%. Однако следует помнить, что при установке подобных защитных устройств на линии электропитания с воздушным вводом, нельзя исключать вероятность повреждения защитных устройств при прямом попадании грозового разряда в провода линии электропередач данного энергообъекта.

Требования к монтажу и установке УЗИП

При использовании защитных устройств в ЭПУ энергообъекта контейнерного типа, имеющего ограниченные габаритные характеристики, рекомендуется выполнить следующее:

• Защитные устройства I класса (грозовые разрядники или комбинированные УЗИП варисторного типа) лучше всего устанавливать во вводном электрощитке, после вводного автоматического выключателя, но перед счетчиком для учёта электроэнергии, что обеспечивает надёжную защиту последнего.
• Защитные устройства II класса также размещаются во вводном распределительном щитке непосредственно перед автоматическими выключателями (Рис.8, 9). В случае необходимости данные УЗИП монтируются на DIN-рейке выпрямительного устройства (Рис. 10, 11). Этот вариант подходит в том случае, когда устанавливается новый выпрямитель (при наличии УЗИП II класса защиты).
• Для энергообъектов контейнерного типа во вводном распределительном щитке следует устанавливать импульсные разделительные дроссели, обладающие индуктивностью 15 мкГн. На входе в ЭПУ или на линии, где расположены дроссели, устанавливаются защитные устройства, предназначенных для защиты дросселей и проводников от токов перенапряжения и токов КЗ. На Рис. 8 ...11 показаны схемы, где используются распределительные дроссели и автоматические выключатели (32 А).
• При использовании варисторных УЗИП комбинированного типа требования по их монтажу схожим с теми, которые предъявляются к грозовым разрядникам. Однако при этом можно не устанавливать разделительные дроссели и варисторные УЗИП II-го класса.

Рис.11. Подключение защитных устройств к сети ТК-8 с рабочим напряжением 220/380 В

В тех случаях, когда при использовании подобных УЗИП в действующей ЭПУ энергообъекта габаритные характеристики защитных устройств не являются главным критерием и когда нежелательны какие-либо изменения в монтажной схеме ЭПУ, следует устанавливать дополнительные электрощиты для защиты от импульсных токов перенапряжений (ЩЗИП) (Рис. 12...14).

Рис.12. Применение защитных устройств в 4-х проводной сети ТN-С (220/380 В) с 2-мя подземными вводами.

Рис.13. Применение защитных устройств в 4-х проводной сети ТN-С (220/380 В) с 2-мя воздушными вводами (с установкой разделительных дросселей)

Рис.14. Применение защитных устройств в 4-х проводной сети ТN-С (220/380 В) с 2-мя воздушными вводами (без использования в схеме разделительных дросселей)

Существуют схемы, где установлены дополнительные разделительные дроссели между I и II ступенями защиты. Следует заметить, что номинал разделительных дросселей подбирается с учётом максимального тока нагрузки, взятого отдельно для каждой фазы ЭПУ энергообъекта. Для установки на DIN-рейку в модельном ряду производителя предусмотрены разделительные дроссели с номиналом до 63 А. Защитные устройства, способные выдерживать большие токи (до 120 А), обладают значительными габаритными размерами, что может вызвать трудности при их монтаже в распределительные щиты небольших размеров.

Поэтому, при больших габаритах энергообъекта и значительных рабочих токах, имеет практический смысл не использовать разделительные дроссели и устанавливать УЗИП различных ступеней защиты на расстоянии не менее десяти метров в различных распредщитах. Но если разделительные дроссели входят в схему защиты энергообъекта, на вводе в ЭПУ или на той силовой линии, где размещены дроссели, следует устанавливать устройства для защиты дросселей и электрических кабелей от токов импульсного перенапряжения и токов КЗ. В этом случае использование предохранителей, подключенных последовательно с каждым устройством для защиты от токов импульсного перенапряжения, технически нецелесообразно.

Так как номиналы предохранителей, предусмотренные изготовителем защитных устройств, превышают номинальные значения разделительных дросселей (при максимальном токе до 120 А). При отсутствии в схеме защиты необходимых дросселей (Рис. 8 и 10), следует обеспечить защиту ЭПУ от аварийных режимов КЗ в устройствах защиты от импульсного перенапряжения за счёт последовательного подключения предохранителей, номинал которых должен соответствовать ТУ производителя данных устройств. При более низком номинальном значении устройств для защиты от максимальных токов импульсного перенапряжения (защитных автоматических выключателей или предохранителей), установленных перед местом подключения УЗИП, допускается монтаж вышеприведённой схемы без предохранителей.

Важнейшие технические параметры защитных устройств, использованных в вышеприведённых схемах (Рис. 8...14), приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

Примечания к таблице 1:

• Указаны только крайние позиции среди устройств серии 5РС
• Представлены только 1-фазные устройства серии 8РС

Для эффективной защиты оборудования энергообъекта по вторичному питанию в каждую цепь устанавливаются соответствующие УЗИП (48 В или 60 В). Количество защитных устройств и места их расположения выбираются с учетом конкретного типа электрооборудования и условий прокладки трасс для шин вторичного питания по энергообъекту. На Рис. 11 варисторный УЗИП мод. РIII-60 размещён на DIN-рейке выпрямительного устройства. Последовательно с УЗИП подключен предохранитель 63 АgG, предназначенный для защиты выхода 48 VDC выпрямительного устройства в случае возникновения КЗ в варисторе.

Рис.15. Схема защиты электропитающих установок объекта контейнерного типа по цепям постоянного тока со стороны линий огней системы светового ограждения.

Также на Рис. 15 показана схема защиты ЭПУ энергообъекта контейнерного типа со стороны электропитания и от заноса перенапряжения от линии питания с рабочим напряжением 220 В огней светового ограждения (СОМ), размещённых на антенно-мачтовом сооружении.

Многие бытовые приборы в своих конструкциях имеют защитные блоки, так сказать, уже встроенные, которые защищают от импульсных перенапряжений. Это опасный вид напряжения, которое может быть вызвано грозой, при проведении ремонта сетей, при коммутации больших нагрузок и так далее. В общем, причин немало. Так вот встроенные блоки имеют очень небольшой ресурс. И если импульсная разновидность напряжения бывает часто, то приходит один момент, когда блок перестает работать и подвергает бытовую технику опасности. То есть, от перенапряжения техника просто начнет выходить из строя. Поэтому для предотвращения этих неприятностей надо установить в питающую сеть устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Итак, давайте разбираться: УЗИП – что это такое?

Как работает УЗИП

Принцип работы УЗИП очень простое, потому что в нем несложная схема отвода перенапряжения. Так вот в схеме прибора установлен шунт, по которому электроэнергия движется к нагрузке. Конечно, которая через прибор подключена к питанию. Между шунтом и заземляющей линией устанавливается перемычка (мост), состоящая из варистора или разрядника.

Так вот, если напряжение в сети нормальное, то сопротивление варистора определяется мегаомами. Как только на линии появляется перенапряжение, то варистор тут же переходит в категорию проводников и начинает через себя пропускать ток, который устремляется в заземление. Вот так все просто.

Разновидности УЗИП

Существует три класса, обозначаемые римскими цифрами.

• Класс I используется в сетях, где импульс (волна) имеет характеристику 10/350 мкс. Как понять это? По сути, это время, в течение которого импульс достигнет своего максимума, и оно равно 10 микросекунд. А 350 мкс – это время падения напряжения до номинального. При этом УЗИП данного класса может выдерживать токи краткосрочного типа в пределах 25-100 кА. Это соответствует, например, удару молнии в линию электропередачи, если место удара удалено от потребителя на 1,5 км.
• Класс II. Обозначим сразу показатели: 8/20 мкс, 10-40 кА. В этом приборе используются только варисторы. А так как эти элементы имеют незначительный ресурс, то в схему подключения между ними и шунтом впаивается предохранитель, он механический. Как только сопротивление варистора станет, так сказать, неадекватным в плане необходимой безопасности, предохранитель размыкает цепь. Он просто отпаивается. Если посмотреть на это с точки зрения физического принципа работы, то это в точности тепловая защита. Кстати, производители позаботились о том, чтобы предупреждать о снижении сопротивления варистора. Он связан с индикатором, который выведен на панель УЗИП.
• Класс III. Приборы этого класса в точности повторяют предыдущий. Есть одно отличие – это сила тока, которую варистор должен выдерживать, ее значение не превышает 10 кА.

Кстати, необходимо отметить, что защитные блоки, встраиваемого типа, имеют точно такую же схему, и они работают точно также по этому принципу. Но как было сказано выше, у них слишком низкий ресурс эксплуатации. Поэтому добавляя в сеть УЗИП третьего класса, вы решаете проблемы с преждевременным отказом бытовой техники, связанными с перенапряжением в питающей сети.

Правда, надо быть до конца честными, разбираясь с прибором этого типа. Высокую надежность могут гарантировать сразу все три класса, установленные в распределительный щит. Почему? Все дело в разных импульсах. К примеру, УЗИП первого класса не сработает, если импульс напряжения будет коротким. Да и сама величина перенапряжения будет незначительной. Потому что это устройство относится к группе малочувствительных. А вот прибор с малой пропускной способностью по мощности просто не справиться с большой силой тока.

Добавим, что схема подключения данного устройства достаточно проста. По сути, он подключается как обычный автоматический выключатель.

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.

Импульсные перенапряжения в электрических сетях — не редкость. Возникают они при прямых или близких ударах молний, из-за переключений в высоковольтных сетях, а также из-за различных аварийных процессов. При этом особой опасности подвергаются частные домовладения, которые получают питание по воздушной линии электропередачи (ВЛ).

Молния — это электрический разряд атмосферного происхождения, который развивается между грозовым облаком и землей или между грозовыми облаками. Считается, что ток прямого удара молнии, составляет примерно 100 тысяч Ампер , а напряжение до 1 миллиарда Вольт . Форма импульса перенапряжения при ударе молнии показана на рисунке ниже.

Очевидно, что воздействие напряжения в десятки тысяч вольт на электроприборы, рассчитанные на 220В приведет как минимум к выходу их из строя, а чаще — к их возгоранию.

Когда нужно применять УЗИП

Защита зданий и сооружений от возгораний при прямом попадании молнии осуществляется молниеотводами. Для жилых зданий он представляет собой сваренную сетку из стали диаметром 8 мм на плоской кровле, с шагом ячейки 15х15 или трос, протянутый на коньке кровли, если она скатного типа.

Защита техники и электропроводки от воздействий молнии осуществляется специальными аппаратами — . Применение УЗИП при вводе в здание воздушной линией является обязательным. Такое требование предъявляет ПУЭ п.7.1.22. УЗИП могут выглядеть как модули, устанавливаемые на DIN-рейку, или как устройства, встраиваемые в вилки или розетки.

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

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

Разрядник

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

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

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