ВНУТРЕННЯЯ МОЛНИЕЗАЩИТА. Часть 3 (устройства защиты от импульсных перенапряжений — УЗИП)

Итак, в предыдущих публикациях были рассмотрены физические процессы, лежащие в основе имеющих существенную дальность действия вторичных эффектов при разряде молнии – заноса высокого потенциала и наведенного напряжения. Ознакомившись с материалом, вы непременно придете к выводу о необходимости установки внутренней молниезащиты.

Такая защита, помимо уже рассмотренной ранее системы уравнивания потенциалов, включает также установку устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Ниже будет дан обзор различных типов этих устройств, принципов работы и правил их установки в системах электрокоммуникаций здания.

Возникающие в электросети импульсные перенапряжения бывают двух типов – противофазные и синфазные. Первые, называемые также поперечными или провод-провод, возникают на клеммах электрооборудования L/N. Для защиты от подобных перенапряжений соответствующий УЗИП устанавливается между фазными L и заземленным PEN проводниками или между фазными L и нулевым N и нулевым N и PE проводниками. Синфазные (продольные или провод – земля) перенапряжения возникают на клеммах N/PE и L/PE. Для защиты от них соответствующий УЗИП устанавливается между  L и PE и N и PE проводниками. Более опасными для электрооборудования являются противофазные напряжения, но при проектировании внутренней молниезащиты, как правило, на границах зон используют схемы подключения для защиты от обоих типов перенапряжений.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ и СВОЙСТВА УЗИП

Подключение УЗИП к линиям электропитания может осуществляться тремя разными способами. Самым оптимальным является применение V-образной конфигурации. В этом случае рабочий ток течет по входящему участку цепи, затем внутри устройства по шунту и далее по исходящему участку. Последовательное подключение в разрыв проводников питания. При использовании такой конфигурации необходимо, чтобы номинальный ток нагрузки устройства I_L превышал максимальное значение рабочего тока электроцепи.

И третий вариантТ-образная конфигурация или параллельное подключение позволяет использовать УЗИП в системе электропитания любой мощности, поскольку в этом случае через устройство рабочий ток не проходит. Но при этом длина присоединяющего УЗИП к электросети провода не должна превышать 50 см. Поскольку при крутизне переднего фронта импульса за счет индуктивного сопротивления провода на каждом его метре будет иметь место падение напряжения около 1 кВ, которое прибавится к величине напряжения после УЗИП.

Согласно международного стандарта IEC 61643 УЗИП для силовых линий электропитания разделяются на три типа (1 – 3) согласно трем классам испытаний (І – ІІІ). Принятый на основе этого стандарта российский ГОСТ Р 51992-2002 использует только классы испытаний. В соответствии с немецким стандартом E DIN VDE 0675-6 устройства защиты от перенапряжений разделяются на четыре класса требований, обозначаемых буквами (A, B, C и D).

Класс испытаний І означает проверку импульсом 10/350 мкс, моделирующим воздействие прямого удара молнии. Испытания проводятся в рабочем режиме импульсом тока I_imp, величина которого указывается затем на корпусе изделия.

Класс испытаний ІІ включает проверку на возможность УЗИП один раз пропустить и не выйти из строя (то есть без разрушений) импульс тока 8/20 мкс величиной I_max.

При этом УЗИП обоих классов обязаны выдерживать серию из пяти нарастающих импульсов амплитудой 0,1; 0,25; 0,5; 0,75 и 1,0 от величины I_imp для класса І и от I_max – для класса ІІ. Также устройства обоих классов проходят испытания импульсом 8/20 мкс для определения значения номинального импульсного разрядного тока I_n, то есть такого воздействия, которое УЗИП может переносить без последствий для работоспособности многократно (не менее 15 импульсов).

При I_n часто определяют одну из важнейших характеристик УЗИП – уровень защитного напряжения или уровень защиты U_p. Этот параметр показывает, на какую величину устройство способно ограничивать появляющийся на его клеммах импульс напряжения, то есть до какого значения за ним снизиться действующее на электрооборудование импульсное перенапряжение. U_p может измеряться и при иных величинах импульса тока, например I_max, поэтому на УЗИП обязательно должно указываться при каких параметрах определялся уровень защиты.

Класс испытаний ІІІ означает проверку действия на УЗИП комбинированной волны: при разомкнутой цепи подается испытательный импульс напряжения 1,2/50 мкс, а при коротком замыкании цепи - импульс тока 8/20 мкс. При этом на корпусе устройства указывается значение U_oc - напряжения разомкнутой цепи.

Помимо указанных, важными параметрами для всех УЗИП являются также:

• U_n - номинальное рабочее напряжение (то есть на электросеть с каким действующим напряжением рассчитано применение устройства );
• U_c - наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение (то есть максимальное напряжение в электросети переменного тока при котором устройство будет нормально работать длительное время);
• t_A - время срабатывания.

Основой любого УЗИП является нелинейный элемент, который резко увеличивает свою проводимость при превышении входящим напряжением определенного значения и восстанавливает ее исходную величину после уменьшения напряжения на входе. В качестве такого нелинейного элемента в УЗИП для бытовых низковольтных (до 1000 В) линий электроснабжения используются варисторы, разрядники и диоды двойной проводимости.

Воздушный разрядник состоит из электродов, разделенных воздушным зазором определенной величины – искровым промежутком. При прохождении импульса перенапряжения за счет электрического пробоя в зазоре зажигается электрическая дуга, обеспечивающая падение напряжения. Искровой промежуток в устанавливаемом в доме разряднике обязательно должен быть герметичным, то есть с защищающим от вылета раскаленных газов и плазмы закрытым корпусом. Такие УЗИП в состоянии отводить импульсы тока величиной свыше I_imp = 100 кА и относятся к классу І.

В газонаполненном или газовом разряднике искровой промежуток заполнен инертным газом (аргон, неон и т.п.). Электроды и находящийся под низким давлением газ окружены герметичным металлокерамическим корпусом. Часто с целью улучшения уровня защиты на электроды наносится покрытие из радиоактивного материала для дополнительной ионизации искрового промежутка. Как правило, газовые разрядники предназначены для отвода импульсов тока 8/20 мкс величиной < 40 кА и относятся к классам ІІ или ІІІ.

После окончания действия импульса через разрядник будет проходить поддерживаемый самой электросетью сопровождающий ток, величина которого приближается к значению, рассчитываемому для тока короткого замыкания в месте установки устройства. То есть электрическая дуга замыкает не только импульс перенапряжения, но и цепь электропитания. Если разрядник не сможет погасит этот ток, то длительном воздействии это может привести к возгоранию. Поэтому для установки между проводниками L и N или L и PE (PEN) следует выбирать разрядники, у которых указанное на корпусе значение сопровождающего тока I_f выше расчетного тока короткого замыкания в этом месте электроцепи. Время срабатывания УЗИП на основе разрядников t_A ≤ 100 нс.

Варистор по сути является полупроводниковым резистором, для которого при характерна нелинейная зависимость электропроводности от приложенного внешнего напряжения. Во время действия импульса перенапряжения сопротивление варистора резко уменьшается и основной всплеск тока протекает через него, а не через электрооборудование. Выделяемая при прохождении через варистор тока энергия рассеивается в виде тепла. После окончания импульса перенапряжения варистор практически мгновенно восстанавливает свое первоначальное большое сопротивление. Во избежание перегрева, вызывающего разрушение с угрозой возгорания, ведущие производители снабжают устройства внутренним терморасцепителем.

Производят варисторы путем спекания при температуре около 1700 ^оC «таблетки» из порошкообразного полупроводника - оксида цинка (ZnO) или карбида кремния (SiC) и связующего зерна вещества (смолы, жидкое стекло, лаки и т.д.). После этого поверхность такой композитной «таблетки» металлизируется и к ней припаиваются выводы. Нелинейность изменения сопротивления варисторов при прикладываемом напряжении связана со сложными электрофизическими явлениями на поверхности зерен кристаллитов полупроводника и в межзеренной прослойке.

В отличие от разрядника, варистор не имеет сопровождающего тока, но для него характерно наличие тока утечки. То есть при нормальной работе находящегося в режиме ожидания варисторного УЗИП через него протекает ток, величина которого при номинальном рабочем напряжении электросети не превышает 1 мА. Значение напряжения, при котором через конкретный варистор протекает ток в 1 мА, называется классификационным. Поэтому для оптимизации параметров УЗИП производители выпускают модели, в которых последовательно соединяют разрядник и варистор. При этом первым исключается ток утечки, а вторым – сопровождающий ток.

Время срабатывания УЗИП на основе варисторов t_A ≤ 25 нс. Используют их в устройствах всех трех классов І, ІІ и ІІІ. Заметим однако, что изготавливать надежные варисторные УЗИП для импульсов 10/350 мкс величиной более 20 кА экономически нецелесообразно. Поэтому не стоит доверять указанному на корпусе устройства І класса значению I_imp, превышающему 20 кА.

Высоковольтные лавинные диоды, используемые в качестве нелинейного элемента УЗИП, обладают вольт-амперной характеристикой с резко выраженной нелинейностью. Такое свойство позволяет им ограничивать импульсы перенапряжения с превышающей напряжение лавинного пробоя p-n-перехода амплитудой. Подобные диоды называют также супрессорами или симметричными TVS-диодами. Используются они в УЗИП класса ІІІ со временем срабатывания t_A ≤ 5 нс.

Нередко все виды УЗИП не совсем корректно называют грозоразрядниками или ограничителями перенапряжения. Последний термин используют в высоковольтной технике только для варисторных устройств.

В системе электроснабжения помимо коротких импульсов могут также возникать временные перенапряжения длительностью более 10 мс и амплитудой свыше 1,1U_n. В случае, если амплитуда временного перенапряжения превысит для установленного УЗИП значение U_c, это приведет к выходу устройства из строя с большой вероятностью возгорания. Поэтому последовательно с УЗИП следует устанавливать предохранители типа gG/gL, которые имеют меньшее по сравнению с автоматическими выключателями время срабатывания. Номинал предохранителя указывается в характеристиках УЗИП.

ВЫБОР и УСТАНОВКА УЗИП

Относящиеся к классу I (Типа 1 или класса B) устройства защиты от импульсных перенапряжений в линиях электроснабжения устанавливают на вводе в здание, где проходит граница зон молниезащиты LPZ 0 – LPZ 1. Устройства подобного типа обеспечивают в зоне LPZ 1 уровень защиты U_p ≤ 4 кВ. Выбранные УЗИП после вводного автомата монтируются во вводно-распределительном устройстве, главном распределительном щите (ГРЩ) или, при нехватке места, рядом в отдельном щите. В случае установленной системы внешней молниезащиты и, особенно при воздушном вводе в дом линий электроснабжения монтаж внутренней молниезащиты является крайне необходимым.

Выбор параметра I_imp для устройств первой линии обороны электрооборудования можно определять исходя из правила, что 50% тока молнии при прямом ударе попадает в дом по внешним токопроводящим коммуникациям. Для загородного дома (ІІІ класс молниезащиты) значение тока разряда молнии принимается равным 100 кА (согласно статистике наблюдений только в 5% случаев разряды молнии превышают это значение).

Для надежного уровня безопасности линий электропитании считают, что весь ток молнии пойдет по силовым кабелям. Таким образом, если в молниеприемник ударил разряд в 100 кА, то 50 кА пройдет по входящим в дом проводам, разделившись по количеству вводов. При прямом ударе в воздушную линию электроснабжения ток приблизительно в равных долях устремится к ТП и в дом. То есть, при двух входящих проводах (система заземления TN-C) на каждом из них можно получить ток 25 кА. Поэтому с учетом возможной неравномерности распределения тока имеем I_imp ≤ 30 кА.

Для установленной в доме бытовой техники обеспечиваемого в LPZ 1 уровня защиты недостаточно, поэтому в доме выделяется вторая зона молниезащиты и на границе LPZ 1 - LPZ 2 устанавливаются устройства защиты от импульсных перенапряжений класса II (Типа 2 или класса C). Их монтируют во внутренних распределительных щитах (этажных или других) или в специальных щитах рядом с ними. Установка подобных УЗИП должна обеспечивать в зоне LPZ 1 уровень защиты U_p ≤ 2,5 кВ.

Если ГРЩ в доме один или к нему необходимо непосредственно подключит оборудование, которое нуждается в уровне защиты, соответствующем зоне LPZ 2, то в ГРЩ устанавливаются УЗИП классов І и ІІ или готовый модуль І + ІІ. Для правильной очередности срабатывания между устройствами разных классов должно быть образованная проводом электропитания линия задержки длинной не менее 10 метров. Поэтому при установке в одном щите для их согласования необходимо использовать соответствующие дроссели. В готовом модуле такое согласование уже выполнено. С другой стороны, при выходе из строя одного входящего в модуль УЗИП заменять придется весь модуль.

Для еще более чувствительного оборудования (например, компьютеры или серверы, факсовые аппараты и т.д.) выделяется зона молниезащиты LPZ 3. В этом случае на границе LPZ 2 - LPZ 3 устанавливают УЗИП класса III (Типа 3 или класса D), которые обеспечивают уровень защиты U_p ≤ 1,5 кВ. Защищаемое оборудования в этом случае не должно размещаться далее 5 метров от защищающего устройства. УЗИП класса III имеют наибольшее разнообразие конструкций: для монтажа в щите на DIN-рейку, для навесного монтажа, для установки в розеточные коробки и кабель-каналы или в виде сетевого адаптера.

Исполнение и схема монтажа УЗИП зависит от того, какая система заземления используется при организации электроснабжения здания – TT, TN-C или TN-S (получаем при разделении на вводе в дом PEN проводника). Поскольку цель данной публикации показать необходимость применения УЗИП для защиты электрооборудования и вкратце рассказать, что они собой представляют и какие имеют важные параметры, мы не будем обсуждать конкретные правила и инструкции их установки.

Если Вы не очень сильны в электротехнике то не рекомендуем самостоятельно монтировать в распределительные щиты дома УЗИП, поскольку эти устройства могут надлежаще выполнять свои функции только при правильной установке. Помимо системы электроснабжения необходимо также устанавливать соответствующие защитные устройства и на линиях слаботочных коммуникаций: спутниковое телевидение, телефонный кабель, витая пара и т.д. Поэтому предоставьте расчет и монтаж внутренней молниезащиты специалистам, проверить компетентность которых Вам помогут публикации сайта.