Ограничитель перенапряжения — его виды и возможности

Перенапряжением называется любое превышение напряжения относительно максимально допустимого для данной сети, ограничитель перенапряжения с этими помехами и борется. К этому виду сетевых помех относятся как перенапряжения
связанные с перекосом фаз достаточно большой длительности, так и перенапряжения вызванные
грозовыми разрядами с длительностью от десятков до сотен микросекунд. Методы и средства
борьбы зависят от длительности и амплитуды перенапряжений. В этом отношении импульсные
перенапряжения можно выделить в отдельную группу.

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. Характер распределения во многом зависит
от конструкции здания, прокладки линий и коммуникаций.

Ограничитель перенапряжения

Переключения в энергосети вызывают серию импульсных перенапряжений различной мощности,
сопровождающуюся радиочастотными помехами широкого спектра. Природа возникновения помех
приведена на примере ниже.

Ограничитель перенапряжения - его виды и возможности

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 импульсного перенапряжения:

1. Разрядник

Представляет собой ограничитель перенапряжения 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 от перенапряжения высокочастотных устройств до нескольких ГГц.

Ограничитель перенапряжения - его виды и возможности 1

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 ниже.

Ограничитель перенапряжения

Типовое 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).

2. Варистор

Ограничитель перенапряжения - его виды и возможности 2

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.

3. Разделительный трансформатор

Ограничитель перенапряжения - его виды и возможности 3

Эффективный ограничитель перенапряжения — 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 импульсного перенапряжения.

Однако при прямом попадании молнии в электросеть может нарушиться целостность
изоляции первичной обмотки и трансформатор выходит из строя.

4. Защитный диод

Защита от перенапряжения для аппаратуры связи. Обладает высокой скоростью
срабатывания (менее 1 нс) и разрядным током 1 кА при токовом импульсе 8/20 мкс.

Все четыре выше описанные ограничителя перенапряжения имеют 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 импульсного перенапряжения (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 грозового и
коммутационного перенапряжения 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 импульсного перенапряжения:

Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений (РД 34.21.122-87). Временные
указаниях по применению УЗО в электроустановках зданий (Письмо Госэнер-гонадзора 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.

Ниже представлены типовые схемы защиты от импульсных перенапряжений. Как правило это
комбинация различных устройств защиты реализующих концепцию зонной защиты широко
распространенную за рубежом.

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 для 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 ограничителей перенапряжения 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 и назначение
защитного устройства
Место установкиОсновные требования,
предъявляемые к
устройству
Импульсный ток,
пропускаемый
устройством при
срабатывании
BДля 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 импульсного
перенапряжения 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 импульсе
10/350 мкС Iimp = 0,5
50 кА) — IEC 1643-1
(37A/44/CDV:1996-
03)
CДля 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)
DДля 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)

Основой любой системы защиты являются системы заземления и выравнивания потенциалов
внутри здания, поэтому любые мероприятия по защите должны начинаться с проверки этих систем.

Обязателен переход на системы заземления 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

Ограничитель перенапряжения - его виды и возможности 4

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 PEN 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 поломки ограничитель перенапряжения может вызвать 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

Ограничитель перенапряжения - его виды и возможности 5

Где ИБП — источник бесперебойного питания типа on-line, сф — сетевой фильтр в виде сетевой
разветвительной колодки (Политрон -3,…-6) или в виде DIN-модуля в распределительном щите (ФС-16М).

Предлагаемая схема защиты построена с учетом требований по зонной защите и в соответствии с
современными требованиями по защите вычислительной техники. 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 нажежность существенно выше, чем ИБП типа оff-line.

Источник: higercom.ru

Поделиться ссылкой:

Добавить комментарий

Оцените статью*

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять