КОМПЛЕКСНАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
Под импульсным перенапряжением понимается кратковременное, чрезвычайно высокое напряжение между фазами или фазой и землей с длительностью, как правило, до 1 мс.
Грозовые разряды – мощные импульсные перенапряжения, возникающие в результате прямого попадания молнии в сеть электропитания, громоотвод или импульс от разряда молнии на расстоянии до 1,5 км, приводящий к выходу из строя электрооборудования или сбою в работе аппаратуры. Прямое попадание характеризуется мгновенными импульсными токами до 100 кА с длительностью разряда до 1 мС.
При наличии системы громоотвода импульс разряда распределяется между громоотводом, сетью питания, линиями связи и бытовыми коммуникациями. Харакер распределения во многом зависит от конструкции здания, прокладки линий и коммуникаций.
Переключения в энергосети вызывают серию импульсных перенапряжений различной мощности, сопровождающуюся радиочастотными помехами широкого спектра. Природа возникновения помех приведена на примере ниже.
Пример природы возникновения помех
Например, при отключении разделительного трансформатора мощностью 1кВА 220/220 В от сети вся запасенная трансформатором энергия «выбрасывается» в нагрузку в виде высоковольтного импульса напряжением до 2 кВ. Мощности трансформаторов в энергосети значительно больше, мощнее и выбросы. Кроме того переключения сопровождаются возникновением дуги, являющейся источником радиочастотных помех.
Электростатический заряд, накапливающийся при работе технологического оборудования интересен тем, что хоть и имеет небольшую энергию, но разряжается в непредсказуемом месте.
Форма и амплитуда импульсного перенапряжения зависят не только от источника помехи, но и от параметров самой сети. Не существует два одинаковых случая импульсного перенапряжения, но для производства и испытания устройств защиты введена стандартизация ряда характеристик тока, напряжения и формы перенапряжения для различных случаев применения.
Так для имитации тока разряда молнии применяется импульс тока 10/350 мкс, а для имитации косвенного воздействия молнии и различных коммутационных перенапряжений импульс тока с временными характеристиками 8/20 мкс.
Таким образом, если сравнить два устройства с максимальным импульсным током разряда 20 кА при 10/350 мкс и 20 кА при импульсе 8/20 мкс у второго, то реальная «мощность» первого примерно в 20 раз больше.
Существует четыре основных типа устройств защиты от импульсных перенапряжений:
Разрядник.
Представляет собой устройство из двух токопроводящих пластин с калиброванным зазором. При существенном повышении напряжения между пластинами возникает дуговой разряд, обеспечивающий сброс высоковольтного импульса на землю. По исполнению разрядники делятся на: воздушные, воздушные многоэлектродные и газовые. В газовом разряднике дуговая камера заполнена инертным газом низкого давления. Благодаря этому их параметры мало зависят от внешних условий (влажность, температура, запыленность и т.д.), кроме этого газовые разрядники имеют экстремально высокое сопротивление (около 10 ГОм), что позволяет их применять для защиты высокочастотных устройств до нескольких ГГц.
При установке воздушных разрядников следует учитывать выброс горячего ионизированного газа из дуговой камеры, что особенно важно при установке в пластиковые щитовые конструкции. В общем, эти правила сводятся к схеме установки представленной на рис. 1 .
Рисунок 1 – Схема установки разрядников.
Силовое напряжение срабатывания в для разрядников составляет 1,5 – 4 кВ (для сети 220/380 В 50 Гц).
Время срабатывания порядка 100 нс. Максимальный ток при разряде для различных исполнений от 45 до 60 кА при длительности импульса 10/350 мкс. Устройства выполняются как в виде отдельных элементов для установки в щиты, так и в виде модуля для установки на DIN-рейку.
Отдельную группу составляют разрядники в виде элементов для установки на платы с токами разряда от 1 до 20 кА (8/20 мкс).
Варистор. Керамический элемент, у которого резко падает сопротивление при превышении определенного напряжения.
Напряжение срабатывания 470 – 560 В (для сети 220/380 В 50 Гц).
Время срабатывания менее 25 нс.
Максимальный импульсный ток от 2 до 40 кА при длительности импульса 8/20 мкс.
Устройства выполняются как в виде отдельных элементов для установки в радиоаппаратуру, так и в виде DIN-модуля для установки в силовые щиты.
Разделительный трансформатор. Силовой 50 герцовый трансформатор с раздельными обмотками и равными входным и выходным напряжениями.
Трансформатор просто не способен передать столь короткий высоковольтный импульс во вторичную обмотку и благодаря этому свойству является, в некоторой степени, идеальной защитой от импульсных перенапряжений. Однако при прямом попадании молнии в электросеть может нарушиться целостность изоляции первичной обмотки, и трансформатор выходит из строя.
Защитный диод.
Применяется, как правило, для защиты аппаратуры связи. Обладает высокой скоростью срабатывания (менее 1 нс) и разрядным током 1 кА при токовом импульсе 8/20 мкс.
Из четырех выше описанных устройств каждое имеет свои достоинства и недостатки. Если сравнить разрядник и варистор с одинаковым максимальным импульсным током и обратить внимание на длительность тестового импульса, то становится ясно, что разрядник способен поглотить энергию на два порядка больше, чем варистор. Зато варистор срабатывает быстрее, напряжение срабатывания существенно ниже и гораздо меньше помех при работе.
Разделительный трансформатор, при определенных условиях, имеет безграничный ресурс по защите нагрузки от импульсных перенапряжений (у варисторов и разрядников при срабатывании происходит постепенное разрушение материала элемента), но для сети 100 кВА требуется трансформатор 100кВА (тяжелый, габаритный и довольно дорогой).
Следует помнить, что при отключении первичной сети трансформатор сам по себе генерирует высоковольтный выброс, что требует установки варисторов на выходе трансформатора.
Одной из серьезных проблем в процессе организации защиты оборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений является то, что нормативная база в этой области до настоящего времени разработана недостаточно. Существующие нормативные документы либо содержат в себе устаревшие, не соответствующие современным условиям требования, либо рассматривают их частично, в то время как решение данного вопроса требует комплексного подхода. Некоторые документы в данный момент находятся в стадии разработки и есть надежда, что они вскоре выйдут в свет. В их основу положены основные стандарты и рекомендации Международной Электротехнической Комиссии (МЭК).
В настоящее время существуют следующие нормативные документы, которые в той или иной мере рассматривают вопросы защиты электропитающих установок от импульсных перенапряжений:
- Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений (РД 34.21.122-87).
- Временные указаниях по применению УЗО в электроустановках зданий (Письмо Госэнергонадзора России от 29.04.97 № 42-6/9-ЭТ разд.6, п. 6.3).
- ПУЭ (7-е изд., п. 7.1.22)
- ГОСТ Р 50571.18-2000, ГОСТ Р 50571.19-2000, ГОСТ Р 50571.20-2000.
Основные ее положения приведены в стандартах IEC-1024-1 (1990-03) "Защита сооружений от удара молний. Часть 1. Общие принципы" и IEC-1312-1 (1995-02) "Защита от электромагнитного импульса молнии. Часть 1. Общие принципы".
Суть данной концепции заключается в том, что объект, подлежащий молниезащите (защите от перенапряжений), разбивается на три условных зоны. Предусматривается последовательное снижение уровня перенапряжений от зоны 0 к зоне 1 и далее к зоне 2, в которой устанавливается оборудование. Границей зоны 0 и зоны 1 служит внешний контур заземления и стены здания.
Для систем электропитания границей этих зон является ГРЩ здания. Границей зон 1 и 2, как правило, является токораспределительный щит.
Современная классификация защитных устройств строится в соответствии с зоновой концепцией молниезащиты (IEC-1024-1, IEC-1312-1). Основные классы защитных устройств приведены в IEC 1643-1 (37A/44/CDV: 1996-03) "Устройства защиты от волн перенапряжения для низковольтных систем распределения электроэнергии. Эксплуатационные требования и методы испытания".
В зависимости от места установки и способности пропускать через себя различные импульсные токи устройства защиты от перенапряжений делятся на следующие классы - A, B, C, и D.
| Класс | Назначение защитного устройства | Место установки | Основные требования, предъявляемые к устройству | Импульсный ток, пропускаемый устройством при срабатывании |
| В | Для защиты от прямых ударов молнии в здание, мачту, ЛЭП. (Категория перенапряжения IV) | На вводе в здание (во вводном щите) или в главном распределительном щите. | – Защита от импульсных перенапряжений с большой энергией (прямых ударов молний, мощных бросков напряжений в режимах короткого замыкания). – Требуется защита от прямого прикосновения. – Отсутствие риска возгорания устройства защиты или короткого замыкания в линии в случае его выхода из строя в результате перегрузки. |
В соответствии с требованиями - E DIN VDE 0675-6/А1/ 03-96 (таблица 4) (при импульсе10/350 мкС Iimp = 0,5 - 50 кА) - IEC 1643 - 1 (37A/44/CDV:1996-03) |
| C | Для защиты электросети от коммутационных помех, как вторая ступень защиты при ударе молнии. (Категория перенапряжения III) | Распределительные щиты. | – Защита от синфазных перенапряжений (между фазой и землей, нейтралью и землей). – Требуется защита от прямого прикосновения. – Отсутствие риска возгорания устройства защиты или короткого замыкания в линии в случае его выхода из строя в результате перегрузки. |
В соответствии с требованиями: - E DIN VDE 0675-6/11-89 (таблица 6) (при импульсе 8/20 мкС Isn = 5 кА) - IEC 1643-1 (37A/44/CDV:1996-03) |
| D | Для защиты потребителей от остаточных бросков напряжений, фильтрация помех (Категория перенапряжения II) | Розетки, оконечные защитные устройства (фильтры и т.п.) | – Защита от дифференциальных перенапряжений (между фазой и нейтралью). – Требуется защита от прямого прикосновения. – Отсутствие риска возгорания устройства защиты или короткого замыкания в линии в случае его выхода из строя в результате перегрузки. |
В соответствии с требованиями: - E DIN VDE 0675-6/11-89 (таблица 6) (при импульсе 8/20 мкС Isn = 1,5 кА) - IEC 1643-1 (37A/44/CDV:1996-03) |
Обязателен переход на системы электропитания TN-S или TN-C-S с разделёнными нулевым рабочим и нулевым защитным проводниками.
Этот переход важен не только с точки зрения защиты от импульсных перенапряжений, но и для защиты от поражения электрическим током обслуживающего персонала и повышения противопожарной безопасности объекта (возможно применение устройств УЗО).
Типовая схема установки защитных элементов зонной защиты представлена на рисунке 2.
Защитные устройства класса В, газовые или воздушные разрядники с током разряда от 45 до 60 кА (10/350 мкс), устанавливаются на вводе в здание (во вводном щите, в ГРЩ или же в специальном боксе). Защитные устройства класса С в виде мощных варисторных модулей с токами разряда порядка 40 кА (8/20 мкс) – на других подраспределительных щитах. Защита класса D, варисторные модули с током разряда 6 – 8 кА или всевозможные фильтры со встроенной варисторной защитой, устанавливается непосредственно возле потребителя. Защита класса В должна устанавливаться обязательно на объектах имеющих воздушный ввод и соответственно чья сеть может быть подвержена грозовому разряду.
В случае подземного кабельного ввода достаточна установка защит класса С и D.
Приведенные цифры по токам для защит по данной схеме существенно превышают требования норматива, однако разумное усиление всех рубежей защиты дает гарантию многолетней безаварийной работы элементов и обеспечивает существенно меньшие остаточные напряжения.
Установка разрядника в первой ступени защиты между нулевым рабочим (N) и нулевым защитным (PE) проводниками необязательна, так как защитные устройства расположены непосредственно возле точки разделения PEN проводника на N и PE проводники. Во второй ступени защиты между N и PE проводниками устанавливаться ограничитель перенапряжения, так как при удалении от точки разделения PE-N проводника и увеличении длины электрических кабелей индуктивность и, соответственно, индуктивное сопротивление жил кабелей току разряда молнии резко возрастает. В результате этого возможно возникновение разности потенциалов между элементами оборудования, подключенного к N и PE проводникам.
Так же при установке защитных устройств очень важно, чтобы расстояние между соседними ступенями защиты было не менее 7–10 метров по кабелю электропитания. Выполнение этого требования необходимо для правильной работы защитных устройств.
В момент возникновения в силовом кабеле импульсного перенапряжения, за счет увеличения индуктивного сопротивления металлических жил кабеля, обеспечивается необходимая временная задержка в росте импульса перенапряжения на следующей ступени защиты, что позволяет обеспечить поочерёдное срабатывание ограничителей перенапряжения от более мощных к менее мощным. В случае необходимости размещения защитных устройств на более близком расстоянии или рядом (в одном щите) необходимо использовать искусственную линию задержки в виде дросселя с номинальным током сети.
Подключение устройств защиты к РЕ рекомендуется делать отдельным проводником и сводить шине выравнивания потенциала (ШВП). Такое подключение позволяет свести к минимуму бросок потенциала в результате срабатывания устройств защиты от импульсного перенапряжения.
В случае применения устройств УЗО, ограничители перенапряжений классов В и С необходимо размещать на линейной стороне УЗО, чтобы токи разряда и токи утечки, протекающие через них на РЕ проводник, не вызывали срабатывания УЗО. К тому же в случае установки ограничителей перенапряжения классов В и С на сторону нагрузки УЗО, последнее может быть выведено из строя током разряда молнии, что недопустимо с точки зрения обеспечения электробезопасности. Ограничители перенапряжений класса D можно устанавливать после УЗО на стороне нагрузки для защиты оборудования от дифференциальных перенапряжений между фазным проводником L и нейтралью N. В этом случае импульсные токи разряда будут протекать между L и N проводниками, не отводясь на защитный РЕ проводник.
При данной схеме средняя точка двух варисторов подключается к РЕ проводнику через разрядник, который не позволит токам утечки варисторов вызвать ложное срабатывание УЗО. В данной схеме необходимо применение УЗО типа S с временной задержкой срабатывания. Однако следует отметить, что вопрос применения УЗО на объектах, где необходимо обеспечение электропитания по первой категории, на данный момент времени остается не решенным. ПУЭ издание 7-е 1999 года предусматривает применение УЗО в электроустановках жилых, общественных, административных и бытовых зданий. Документы, определяющие область применения УЗО в электрических сетях промышленных предприятий, в настоящее время отсутствуют.
Наличие предохранителей F2 – F4 и F5 – F7 является обязательным, в случае если номинал предохранителей F1 превышает значение, указанное в паспорте на данный тип защиты.
Например для разрядников FLT – PLUS CTRL 1.5 это 250 А., т.е. если линейный предохранитель F1 400 А, то F4 – F6 не более 250 А , а для варисторного модуля PIV 230 это значение составляет 160 А. Однако в случае аварии защитных устройств существует вероятность потери питания в сети.
Во многих случаях для обеспечения непрерывности питания устанавливаются защитные автоматы (F2 – F4 и F5 – F6) с номиналом тока меньше линейного автомата защиты. В этом случае возникает необходимость дополнительного контроля за состоянием устройств защиты и в первую очередь варисторных блоков.
При соблюдении всех правил установки зонной защиты срок службы защитных элементов составляет в среднем 15 – 17 лет.
Типовая схема защиты ЛВС
В данной схеме защиты потребители делятся на две группы. Потребитель первой категории – сервера, бухгалтерия, связь и тд – те, для которых потеря питания приводит к серьезным экономическим последствиям.
Источник бесперебойного питания желательно типа on – line так, как при необходимости он обеспечит стабилизацию напряжения и имеет надежность существенно выше, чем ИБП типа оff – line.
28.02.2015,