Защита от импульсных перенапряжений многоэтажек. Импульсное перенапряжение. Схема подключения узип
В современном доме находится немалое количество бытовой техники, приборов и электроники. При этом большинство частных домов получают энергию с помощью воздушной линии электропередачи (ЛЭП). В такой ситуации имеет смысл устройство защиты от импульсных перенапряжений, возникающих в сети при ударах молнии.
Ужасно выглядит удар молнии в домПричины возникновения и характер импульсов перенапряжения
Многие пожилые люди, покидая свое жилище на продолжительный срок, по старинке вынимают из розеток шнуры всех электроприборов, опасаясь молнии. В настоящее время линии электропередач относительно защищены от атмосферных воздействий, а в бытовой электронике имеется элементарная защита от импульсов напряжением до нескольких тысяч вольт.
Таким образом, в многоквартирном доме, к которому электроснабжение подается подземным кабелем, проблема защиты от грозы в значительной степени решена.
В случае энергоснабжения по воздуху необходимо принимать комплексные меры по защите от удара молнии.
Негативное воздействие атмосферного электричества может возникать:
- при ударе молнии непосредственно в линию электропередачи рядом с домом, что приводит к возникновению импульса 10/350мкс (первое значение – время роста импульса, второе – время спада);
- при попадании молнии в ЛЭП на дальнем расстоянии и образовании волны с характеристикой 8/20мкс;
- при грозовом разряде в непосредственной близости и наведении на линию электропередачи электромагнитного импульса.
Варианты схем удара молнии Классификация защиты от импульсов перенапряжения
Знакомые всем искровые разрядники Заметим, что высоковольтные импульсы в сети могут также возникать в результате аварии на электрической подстанции или обрыва нулевого провода в трехфазной сети. В результате перечисленных воздействий отказывает бытовая техника, а также электрические коммутационные приборы. Если изоляция проводки в доме будет пробита, произойдет короткое замыкание, возгорание и пожар.
Вентильные разрядники на электрической подстанции Основу ограничителя перенапряжения составляет варистор, то есть резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от приложенного напряжения. ОПН более надежны, имеют меньшие размеры. В конкретной ситуации имеется возможность установить ограничители импульсного перенапряжения с наиболее подходящей характеристикой.
В низковольтных сетях, которые обеспечивают питание жилых домов, используют устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Эти малогабаритные приборы модульного типа делятся на три класса и могут быть применены владельцами жилья в собственных домах и квартирах.
Модульные УЗИП для монтажа в электрощите Устройства I класса устанавливаются на вводном щите жилого дома. Они предназначены для защиты от близких ударов молнии (до 1,5км) и пропускают через себя токи от 25 до 100 тысяч ампер с характеристикой импульса 10/350мкс. УЗИП II класса монтируются в распределительном щите в качестве второй ступени защиты от удара молнии и пропускают через себя токи 10-40 тысяч ампер с характеристикой импульса 8/20мкс.
Устройства III класса гасят импульсы с характеристикой 8/20мкс и рассчитаны на токи до 10 кА. Они устанавливаются непосредственно у электроприборов. По конструктивному исполнению УЗИП III класса могут изготавливаться в виде модулей и монтироваться на din-рейку, а также встраиваться в розетку или в вилку потребителя энергии.
Нужна ли установка УЗИП в Вашем случае?
Стандартная электрическая схема подключения УЗИП в трехфазной сети Классическая схема подключения УЗИП предусматривает последовательную установку устройств всех трех классов. Если ограничиться только устройством класса I, то оно может не сработать при относительно слабых импульсах. Наоборот, самое чувствительное УЗИП класса III не выполнит свою задачу при мощном воздействии.
Существуют стандарты и методики для расчета степени риска удара молнии и оценки последствий. В общем виде УЗИП класса I можно не устанавливать, если опоры линии электропередачи имеют заземление, заземлен нулевой провод, установлен громоотвод, и реализована система выравнивания потенциалов.
Однако, не обладая специальными знаниями в области электроснабжения, куда проще обеспечить стандартную схему защиты от импульсных скачков напряжения.
При этом в любом случае отрицательное воздействие грозового разряда сильно снижается при установке громоотвода. Если Вы этого еще не сделали, читайте статью
Как работают различные виды УЗИП
Устройства защиты от импульсных перенапряжений используют в своей конструкции разрядники или полупроводниковые приборы – варисторы. Последние нагреваются при срабатывании и плохо работают при повторении высоковольтных воздействий. Варистор должен остыть, чтобы вернуться в рабочее состояние. УЗИП модульного типа часто имеют индикаторы работоспособности и могут быть заменены при выходе из строя.
Электрическая схема работы УЗИП При нормальном напряжении в сети ток проходит по проводникам к нагрузке. Во время скачка напряжения разрядник открывается и пропускает ток на землю. После возвращения напряжения в сети к рабочим значениям, элементы УЗИП снова закрываются, и электроснабжение протекает в обычном режиме.
Во время срабатывания устройства защиты через него протекает ток до десятков тысяч ампер. При этом выделяется большое количество энергии, то есть тепла.
Устройство защиты от импульсных скачков напряжения своими руками
Пример монтажа УЗИП в электрощите Защита от грозовых перенапряжений может быть выполнена своими руками. УЗИП модульного типа устанавливают в вводном щите с корпусом из металла. При этом следует применять устройство, номинальный рабочий ток которого не меньше величины, ограниченной входным автоматом. Также напряжение ограничения УЗИП не должно быть ниже допустимого в Вашей сети.
УЗИП класса I подключается после входного автомата в однофазной или трехфазной сети. Сверху к устройству подводятся защищаемые линии электроснабжения, снизу – заземление. Ниже приводится вариант электромонтажной схемы подключения УЗИП класса I в однофазной сети.
Электромонтажная схема подключения УЗИП в однофазной сети УЗИП класса II монтируется в распределительном щите внутри дома. Устройство защиты третьего класса устанавливается непосредственно у потребителей. Если ступени устройства защиты находятся рядом, между ними необходимо включать дроссели для согласования. В противном случае УЗИП с большей чувствительностью примет весь ток нагрузки на себя. Если расстояние между приборами защиты более 10м, роль дросселей выполнит электропроводка.
Тема выбора и подключения устройств защиты от грозовых перенапряжений не является простой для неспециалистов. В сложных случаях лучше обратиться в специализированную организацию.
3.7. Импульс напряжения и временное перенапряжение
Искажение формы кривой питающего напряжения может происходить за счет появления высокочастотных импульсов при коммутациях в сети, работе разрядников и т.д. Импульс напряжения - резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня. Величина искажения напряжения при этом характеризуется показателем импульсного напряжения (рис.3.7).
Рис.3.7 Параметры импульсного напряжения
(3.22)
Где U имп - значение импульсного напряжения, В.
Амплитудой импульса называется максимальное мгновенное значение импульса напряжения. Длительность импульса - это интервал времени между начальным моментом импульса напряжения и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до первоначального или близкого к нему уровня.
Показатель - импульсное напряжение стандартом не нормируется.
Временное перенапряжение - повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1 U ном продолжительностью более 10 мс, возникающие в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях (рис. 3.8).
Временное перенапряжение характеризуется коэффициентом временного перенапряжения (K пер.U): это величина, равная отношению максимального значения огибающей амплитудных значений напряжения за время существования временного перенапряжения к амплитуде номинального напряжения сети.
(3.23)
Длительностью временного перенапряжения называется интервал времени между начальным моментом возникновения временного перенапряжения и моментом его исчезновения.
(3.24)
Коэффициент временного перенапряжения стандартом также не нормируется.
Значения коэффициента временного перенапряжения в точках присоединения электрической сети общего назначения в зависимости от длительности временных перенапряжений не превышают значений приведеных в таблице 3.3 .
Таблица 3.3 Зависимость коэффициента временного перенапряжения от длительности перенапряжения
В среднем за год в точке присоединения возможны около 30 временных перенапряжений.
При обрыве нулевого проводника в трехфазных электрических сетях напряжением до 1 кВ, работающих с глухозаземленной нейтралью, возникают временные перенапряжения между фазой и землей. Уровень таких перенапряжений при значительной несимметрии фазных нагрузок может достигать значений междуфазного напряжения, а длительность нескольких часов.
В связи с широким распространением полупроводниковой и микропроцессорной техники в производстве и в быту, вопрос защиты электрических сетей до 1000 В от коммутационных и грозовых перенапряжений сегодня становится особенно актуальным.
Дорогостоящая техника, изготовленная с применением полупроводниковых элементов, имеет слабую изоляцию, и даже незначительные повышения напряжения способны вывести ее из строя.
В соответствии с принятой номенклатурой, ограничитель перенапряжения в электроустановках напряжением до 1 кВ называют устройством защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) .
Принцип действия схож с принципом работы ограничителей перенапряжения (ОПН) и основывается на нелинейности вольтамперной характеристики защитного элемента. При проектировании защиты от перенапряжений в сетях до 1 кВ, как правило, предусматривают 3 ступени защиты, каждая из которых рассчитана на определенный уровень импульсных токов и крутизны фронта волны.
УЗИП I - устройство 1-го класса устанавливается на вводе в здание и выполняет функцию первой ступени защиты от перенапряжений. Условия его работы наиболее тяжелые. Рассчитано такое устройство на ограничение импульсных токов с крутизной фронта волны 10/350 мкс. Амплитуда импульсных токов 10/350 мкс находится в пределах 25-100 кА, длительность фронта волны достигает 350 мкс.
УЗИП II - применяют в качестве защиты от перенапряжений, вызванных переходными процессами в распределительных сетях, а также в качестве второй ступени после УЗИП I. Его защитный элемент рассчитан на импульсные токи с формой волны 8/20 мкс. Амплитуда токов находится в пределах 15-20 кА.
УЗИП III - применяют для защиты сетей от остаточных явлений перенапряжений после устройств первого и второго класса. Устанавливаются они непосредственно у защищаемого оборудования и нормируются импульсными токами с формой волны 1,2/50 мкс и 8/20 мкс.
Устройство . Устройства всех классов имеют схожее строение, различие заключается в характеристиках защитного элемента. Конструктивно, устройство состоит из неподвижного основания и съемного модуля. Основание крепится непосредственно к конструкциям распределительных шкафов на DIN- рейку.
Съемный модуль с помощью ножевых контактов вставляется в основание. Такая конструкция позволяет легко производить замену испорченного нелинейного элемента самостоятельно. В качестве нелинейного элемента применяют варисторы и разрядники различного исполнения. Их исполнение может быть одно-, двух- и трехполюсным, выбор зависит от количества проводов защищаемой сети.
Зарубежные производители оснащают свои изделия индикаторами срабатывания устройства, что позволяет визуально определить его исправность. В более дорогих моделях могут быть установлены терморасцепители, предотвращающие перегрев нелинейного элемента, не рассчитанного на длительное протекание токов.
Схема подключения . Для выполнения защиты от перенапряжения в электроустановках, токоведущие части намеренно соединяют с заземляющим контуром посредством элементов с нелинейной вольтамперной характеристикой.
В электроустановках до 1000 В для применения УЗИП обязательно наличие заземляющего проводника РЕ с нормируемым сопротивлением. Несмотря на то, что сами устройства рассчитаны на большие импульсные токи и напряжения, они не пригодны для длительного повышения напряжения и протекания токов утечки.
Многими производителями рекомендуется защищать УЗИП с помощью плавких вставок. Данные рекомендации объясняются более быстрым срабатыванием предохранителей в зонах импульсных токов, а также частыми повреждениями контактной системы автоматических выключателей при разрывании токов такой величины.
При выполнении трехступенчатой защиты от перенапряжений, устройства должны располагаться на определенном расстоянии друг от друга по длине провода. Например, от УЗИП I до УЗИП II расстояние должно быть не менее 15 м по длине соединяющего их провода. Соблюдение этого условия позволяет селективно отработать разным ступеням, и надежно погасить все возмущения в сети.
Расстояние между II и III ступенью 5 метров. При невозможности разнести устройства на предписанные расстояния, применяют согласующий дроссель, представляющий собой активно-индуктивное сопротивление, эквивалентное сопротивлению проводов.
Особенности выбора . Самым ответственным участком защиты от грозовых перенапряжений является ввод в здание. УЗИП на первом участке ограничивает самый большой импульсный ток. Ножевые контакты для УЗИП первого класса представляют наибольшую уязвимость устройства.
Импульсные токи амплитудой 25-50 кА сопровождаются значительными электродинамическими силами, которые могут привести к выскакиванию сменного модуля из контактов ножевого типа и лишить электрическую сеть защиты от перенапряжения, поэтому, в качестве первой ступени лучше применять УЗИП без съемного модуля.
При выборе защиты первого класса отдавать предпочтение лучше устройствам на базе разрядников. Изготовление варисторного УЗИП на импульсный ток более 20 кА - дело достаточно трудоемкое и затратное, поэтому, их серийный выпуск неоправдан.
Так, если изготовителем на варисторном устройстве указан номинальный Iimp более 20 кА, следует с осторожностью отнестись к такой покупке; возможно производитель вводит вас в заблуждение.
УЗИП с применением разрядника с открытой камерой представляет опасность при срабатывании, поэтому его применение обосновано в распределительных шкафах, где присутствие человека исключено, когда защищаемый участок находится в работе. Протекание импульсного тока по контактам разрядника неизбежно ведет к зажиганию дуги.
В момент горения дуги, раскаленные газы и брызги расплавленного металла могут нанести вред здоровью и жизни человека. Шкаф, в котором установлено УЗИП такого типа, должен быть выполнен из несгораемого материала, с уплотнением всех отверстий.
В качестве нелинейного элемента могут применяться также разрядники со схемой поджигающего электрода. С помощью дополнительного электрода можно регулировать момент пробоя искрового промежутка и открытия разрядника. Применение поджигающего электрода позволяет снизить уровень импульсного напряжения и согласовать работу УЗИП разного класса.
Однако если схема управления поджигающим электродом выйдет из строя, на выходе получится защита с неизвестной характеристикой, возможно, не гарантирующая не только правильную работу, но работоспособность вообще.
Одним из факторов, приводящих к повреждениям электрооборудования, являются атмосферные перенапряжения , связанные с ударами молний. Действия атмосферного электричества разделяются на:
- прямые удары молний электрооборудование;
- удары молний рядом с электрооборудованием, воздействующие на него при помощи мощного электромагнитного импульса;
- удары молний вдали от потребителей, электромагнитная волна от которых воспринимается полупроводниковыми устройствами телемеханики и связи и создает помехи для их работы.
Воздействия атмосферных перенапряжений характерны небольшой длительностью импульса – порядка десятков миллисекунд. Но на это время напряжение в сети многократно повышается. Это приводит к пробоям изоляции и повреждениям как линий связи, так и питающихся от них потребителей.
Для защиты от перенапряжений, создаваемых грозовыми разрядами, используют устройства, ограничивающие амплитудное значение напряжения до уровня, безопасного для изоляции электрооборудования.
Искровые и вентильные разрядники, ОПН
Первыми устройствами, примененными для ограничения величин перенапряжений в сети, были искровые разрядники . Действие их основано на пробое воздушного промежутка фиксированной длины при определенном напряжении.
Разрядник подключается между защищаемыми фазами и контуром молниезащиты. Для каждой из фаз устанавливается персональный элемент. Он может выполняться открытым и состоять из расположенных торцами напротив друг друга металлических прутков. А может состоять из электродов, заключенных в изолирующую оболочку.
В момент возникновения грозового перенапряжения искровой промежуток разрядника пробивается, и мощность импульса уходит в землю через контур молниезащиты. За счет этого уровень напряжения ограничивается. По окончании импульса дуга гаснет, и разрядник снова готов к работе. В нормальном режиме он не потребляет тока и не оказывает влияния на режим работы электроустановки.
Вторым устройством, защищающим изоляцию от перенапряжений, были вентильные разрядники . Они состоят из двух элементов, соединенных последовательно: многократного искрового промежутка и гасящего резистора. При перенапряжении искровые промежутки пробиваются, через них и резистор протекает ток. В результате снижается напряжение в сети. Как только возмущающее воздействие снимается, дуга в искровых промежутках гаснет, и разрядник приходит в исходное положение.
Вентильные разрядники герметичны и работают бесшумно, в отличие от искровых, выделяющих в атмосферу продукты горения дуги.
Вентильные и искровые разрядники применяются только в электроустановках высокого напряжения.
Предыдущие защитные устройства заменяются ограничителями перенапряжений (ОПН) .
Внутри ОПН находится варистор: резистор с нелинейной зависимостью сопротивления от приложенного к нему напряжения . При превышении порогового значения напряжения ток через варистор резко возрастает, предотвращая дальнейшее его повышение. При прекращении грозового или коммутационного импульса ОПН переходит в исходное состояние.
По сравнению с предыдущими устройствами ОПН надежнее и меньших габаритов. Их характеристики подбираются более точно, что позволило выработать гибкую стратегию их эффективного применения.
Модульные ОПН для сетей низкого напряжения получили название устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) .
К ним относятся:
Форма волны импульсного перенапряжения стандартизирована для случаев:
- прямое попадание молнии – 10/350 мкс ;
- воздействие непрямого действия молнии – 8/20 мкс .
По назначению УЗИП по стандарту МЭК разделяются на типы 1-3, по ГОСТ Р 51992-2002 они разделяются на классы испытаний (I – III). Соответствие и назначение этих характеристик указано в таблице.
| Типы по IEC 61643 | Классы по ГОСТ Р 51992-2002 | Назначение | Место установки |
| 1 | I | Для ограничения перенапряжений от прямых ударов молний | На вводе в здание, в главном распределительном щите |
| 2 | II | Для ограничения перенапряжений от далеких ударов молний и коммутационных перенапряжений | На вводах, где не существует опасности прямых ударов |
| 1+2 | I+II | Объединяются характеристики типов УЗИП 1 и 2 | Как для типов 1 или 2 |
| 3 | III | Для защиты чувствительных потребителей. Имеют самый низкий уровень защитного напряжения | Для непосредственной установки у потребителей |
По конструктивному исполнению УЗИП выпускаются с разным числом полюсов: от одного до четырех.
Выбор УЗИП
Для начала нужно определить степень воздействия молний или коммутационных перенапряжений на защищаемый объект. Для этого используются данные об интенсивности грозовых разрядов в месте установки, учитывается наличие устройств молниезащиты, линий электропередачи и их протяженность. Если ввод в дом выполнен кабельной линией, то она более защищена от прямых ударов молний, чем воздушная.
Электроустановка здания разделяется на зоны, защищаемые УЗИП соответствующих классов. Задача такого разделения: ступенчато снизить уровень перенапряжения так, чтобы более мощные устройства гасили основную волну перенапряжения, а по мере ее продвижения по распределительной сети устройства низшего класса дополнительно снижали ее воздействие, обеспечивая минимум в точке подключения потребителей.
Одновременно с этим безопасность электрооборудования обеспечивается выбором класса изоляции, соответствующего зоне защиты .
На вводе в здание устанавливаются УЗИП типов 1 или 1+2 . Они выдерживают импульс от прямого удара молнии, снижая его до величины, допустимой для электрооборудования с классом изоляции IV (до 6 кВ) . Точка установки УЗИП – во вводном щитке, ВРУ (вводном распределительном устройстве) или ГРЩ (главном распределительном щитке).
Класс изоляции электрооборудования, расположенного в этих распределительных устройствах после УЗИП, должен быть не хуже III (до 4 кВ) .
Следующий рубеж защиты – распределительные щитки , подключенные к ВРУ или ГРЩ в глубине здания. На их входе устанавливаются УЗИП типа II , снижающие уровень перенапряжения до величины, приемлемой для электрооборудования с классом изоляции II (2.5 кВ) . Так защищаются потребители, включающиеся непосредственно в розетки питания и устройства освещения.
При необходимости защиты электрооборудования, наиболее чувствительного к помехам (компьютерная техника, устройства связи), применяются УЗИП типа 3 , устанавливающиеся в непосредственной близости от защищаемого объекта.
Требования к подключению УЗИП
При трехфазном питании и системе заземления TN-C к УЗИП подключаются все три фазы напряжения. В случае с системами TN-C-S или TN-S – к трем фазам добавляется нулевой рабочий проводник. Вывод «РЕ» соединяется с главной заземляющей шиной ВРУ или шиной РЕ распределительного щитка. Главная заземляющая шина соединяется с контуром заземления здания.
Бурное развитие электронного оборудования, его усложнение и миниатюризация привели к массовому применению микропроцессоров в управлении производственными и технологическими процессами, системами обеспечения жизнедеятельности человека. Стремительная миниатюризация оборудования затронула не только электронную, но и электротехническую промышленность. Обратной стороной миниатюризации стала чувствительность электронного и электротехнического оборудования к импульсным перенапряжениям и высокочастотным помехам. Выход из строя оборудования в этих случаях может оказаться наименьшим из бед, значительно больше ущерба приносит остановка производства, срыв трафика, потеря данных. Импульсное перенапряжение - это кратковременное напряжение длительностью от единиц наносекунд до десятков микросекунд, максимальное значение которого многократно превышает значение номинального напряжения электрической сети или линии связи. Импульсные перенапряжения носят вероятностный характер, их параметры определяются источниками возникновения и электрическими свойствами проводников в которых они возникают. Источниками возникновения импульсных перенапряжений являются удары молний, коммутационные процессы в распределительных электрических сетях и электромагнитные помехи, создаваемые промышленными электроустановками и электронными приборами.Удар молнии - электрический разряд атмосферного происхождения между грозовым облаком и землей или между грозовыми облаками, состоящий из одного или нескольких импульсов тока. Во время протекания разряда по каналу молнии протекает электрический ток, достигающий значений 200 кА и более. Прямой удар молнии (ПУМ) в объект (сооружение, здание и др.) может привести к механическим повреждениям конструкций, поражению людей, сбою или выходу из строя электрических и электронных систем.
При межоблачных разрядах или ударах молнии радиусе до нескольких километров вблизи от объектов и коммуникаций входящих в объект в металлических элементах конструкций и коммуникациях возникают индуцированные перенапряжения приводящие к пробою изоляции проводников и оборудования, сбою или выходу из строя электрических и электронных систем.
Импульсные перенапряжения также возникают при коммутации индуктивных и емкостных нагрузок, коротких замыканиях в распределительных электрических сетях высокого и низкого напряжения.
Защита оборудования объектов от импульсных перенапряжений может быть обеспечена при выполнении комплекса технических мероприятий включающего:
Создание системы внешней молниезащиты (МЗС);
Создание системы заземления;
Создание системы уравнивания потенциалов путем присоединения к главной заземляющей шине (ГЗШ) всех металлических элементов конструкции, входящих в сооружение коммуникаций, корпусов оборудования за исключением токоведущих и сигнальных проводников;
Экранирование сооружения, оборудования и сигнальных проводников;
Установка на всех токоведущих и сигнальных проводниках устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) с целью уравнивания их потенциалов относительно земли.
Литература: 1. МЭК 62305 «Защита от удара молнии» Части 1-5; 2. ГОСТ Р 50571.19-2000 «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перена пряжений. Раздел 443. Защита электроустановок от грозовых и коммутационных перенапряжений».3. ПУЭ (7-е изд.)4. СО–153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».5. Технические материалы компании Hakel.