Защита оборудования от перенапряжения

Устройство защиты оборудования от перенапряжений

Владельцы патента RU 2337449:

Использование: в электротехнике для защиты оборудования от избыточного напряжения. Технический результат заключается в повышении надежности, долговечности и в расширении функциональных возможностей. Устройство содержит токоограничивающие элементы 1-5, каждый из которых последовательно включен в один из проводов 6-10 линий защищаемого оборудования 11, ограничители 12-16 перенапряжений, каждый из которых соединен входом с одним из проводов 6-10 линий защищаемого оборудования 11. Выходами ограничители 12-16 перенапряжений соединены между собой звездой, общая точка которой связана с выводом 17 заземления через конденсатор 18, емкость которого выбирается из условия: постоянная времени Тзар цепи заряда конденсатора 18 через токоограничивающие элементы 1-5 должна быть больше минимальной длительности перенапряжений и токов, индуцированных разрядом молнии и иными источниками. Параллельно конденсатору 18 включен дополнительный ограничитель 19 перенапряжения (например, разрядник), напряжение срабатывания которого выбирается большим напряжения измерительного прибора (не изображен), используемого для измерения сопротивления изоляции или прибора контроля наличия замыкания Uопн>Uип, а напряжение срабатывания остальных ограничителей 12-16 перенапряжения выбирается меньшим напряжения указанного измерительного прибора Uопн

Изобретение относится к области электротехники, преимущественно к схемам защиты слаботочного, например, телекоммуникационного оборудования от избыточного напряжения на линиях связи, реагирующим на напряжение выше нормального, без отключения защищаемого оборудования от линий связи.

Известно устройство защиты от грозовых импульсов перенапряжений двухпроводной линии связи, содержащее включенные в каждый из проводов разрядник, который соединен с каждым из входных выводов и контуром заземления, разделительные электрические сопротивления, выполненные в виде дросселей, включенных последовательно в каждый из проводов, двусторонние полупроводниковые ограничители напряжения, подсоединенные между выходными клеммами и заземляющим контуром (RU №2050663, 1995).

Его недостатком являются ограниченные функциональные возможности, так как он предназначен только для двухпроводных линий связи.

Известно устройство защиты оборудования от перенапряжений, содержащее группу токоограничивающих элементов, каждый из которых последовательно включен в один из проводов линий защищаемого оборудования, группу ограничителей перенапряжений, каждый из которых соединен входом с одним из проводов линий защищаемого оборудования, причем выходами ограничители перенапряжений соединены между собой звездой, общая точка которой связана с выводом заземления (RU №2190916, 2002, прототип).

Недостатки прототипа состоят в следующем.

В известной схеме каждое срабатывание ограничителей перенапряжений типа газовый разрядник в цепи «линия-земля» приводит к возникновению кратковременного замыкания линии на землю. Для ряда схем защищаемого оборудования режим кратковременного короткого замыкания является аварийным и частоту возникновения таких режимов желательно снизить. Если перенапряжения вызваны относительно длительными токами, например, длительностью 10/350 мкс при прямом разряде молнии, то защита, реализованная в прототипе, путем создания замкнутой цепи от линии непосредственно на землю обоснована, т.к. такой ток необходимо по цепи с малым сопротивлением отвести на землю. Однако на практике кратковременные перенапряжения и токи возникают намного чаще, чем длительные. Кратковременные перенапряжения вызваны относительно непродолжительными токами, например, длительностью 8/20 мкс при воздействии индуцированного перенапряжения относительно небольшой длительности и амплитуды, например, от разряда молнии. Соответственно часто возникают режимы короткого замыкания, что ухудшает эксплуатационные характеристики устройства защиты и снижает его надежность и долговечность.

Кроме того, в процессе эксплуатации кабельных линий и защищаемого оборудования возникает необходимость в периодическом (или постоянном) измерении сопротивления изоляции измерительными приборами с высоким значением измерительного напряжения (например, с помощью мегомметра с измерительным напряжением 500 В). В ряде схем используются устройства непрерывного контроля отсутствия замыкания линии на землю методом наложения на цепь «линия — земля» измерительного напряжения. Для того чтобы цепи с ограничителями перенапряжений не оказывали влияния на результаты измерений и контроля, напряжение срабатывания ограничителей перенапряжения Uопн в цепи «линия-земля» должно превышать измерительное напряжение прибора для измерения сопротивления изоляции или прибора контроля наличия замыкания Uип, т.е. должно выполняться условие Uопн>Uип. В этом случае устройство для защиты, выполненное согласно прототипу, эффективно ограничивает перенапряжения, только если их уровень превышает Uип, и поэтому не обеспечивает низкоуровневую защиту, т.е. имеет ограниченные функциональные возможности.

Технической задачей изобретения является создание эффективного устройства защиты от перенапряжения и расширение арсенала устройств защиты от перенапряжения.

Технический результат, обеспечивающий решение задачи состоит в повышении надежности и долговечности благодаря исключению режима возникновения короткого замыкания для кратковременных перенапряжений и токов, а также в расширении функциональных возможностей за счет расширения диапазона ограничения перенапряжений в сторону снижения их уровней и выполнения схемы устройства некритичной по отношению к Uип.

Сущность изобретения состоит в том, что устройство защиты оборудования от перенапряжений содержит группу токоограничивающих элементов, каждый из которых последовательно включен в один из проводов линий защищаемого оборудования, группу ограничителей перенапряжений, каждый из которых соединен входом с одним из проводов линий защищаемого оборудования, причем выходами ограничители перенапряжений соединены между собой звездой, общая точка которой связана с выводом заземления, при этом общая точка звезды связана с выводом заземления через конденсатор, емкость которого выбирается из условия: постоянная времени цепи заряда конденсатора через токоограничивающие элементы должна быть больше минимальной длительности перенапряжений.

Предпочтительно параллельно конденсатору включен дополнительный ограничитель перенапряжения, причем напряжение срабатывания дополнительного ограничителя перенапряжений выбирается большим напряжения измерительного прибора, используемого для измерения сопротивления изоляции или прибора контроля наличия замыкания, а напряжение срабатывания остальных ограничителей перенапряжения выбирается меньшим напряжения указанного измерительного прибора.

В частных случаях реализации устройство содержит токоограничивающие элементы из состава: резистор, катушка индуктивности, их комбинация, ограничители перенапряжения из состава: разрядники, варисторы, комбинация разрядников и варисторов, полупроводниковые ограничители перенапряжений, а дополнительный ограничитель перенапряжения выполнен в виде разрядника.

На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для ограничения перенапряжений с использованием в качестве ограничителей перенапряжения разрядников, на фиг.2 — с варисторными ограничителями перенапряжения, на фиг.3 — с комбинированными ограничителями перенапряжений: варисторы и последовательно включенные с ними разрядники, на фиг.4 — с токоограничивающими элементами в виде катушки индуктивности, на фиг.5 — с токоограничивающими элементами в виде катушки индуктивности с последовательно включенным резистором.

Устройство защиты оборудования от перенапряжений содержит в данном примере пять токоограничивающих элементов 1, 2, 3, 4, 5, каждый из которых последовательно включен в один из проводов 6, 7, 8, 9, 10 линий защищаемого оборудования 11, ограничители 12, 13, 14, 15, 16 перенапряжений, каждый из которых соединен входом с одним из проводов 6-10 линий защищаемого оборудования (устройства) 11. Выходами ограничители 12-16 перенапряжений соединены между собой звездой, общая точка которой связана с выводом 17 заземления, отличающееся тем, что общая точка звезды связана с выводом 17 заземления через конденсатор 18, емкость которого выбирается из условия: постоянная времени Тзар цепи заряда конденсатора 18 через токоограничивающие элементы 1-5 должна быть больше минимальной длительности перенапряжений и токов, индуцированных разрядом молнии и иными источниками. Для большинства источников кратковременных перенапряжений достаточным для реализации последнего требования является, например, условие Тзар>100 мкс.

Параллельно конденсатору 18 включен дополнительный ограничитель 19 перенапряжения (например, разрядник), причем напряжение срабатывания дополнительного ограничителя 19 перенапряжений выбирается большим напряжения измерительного прибора (не изображен), используемого для измерения сопротивления изоляции или прибора контроля наличия замыкания Uопн>Uип, а напряжение срабатывания остальных ограничителей 12-16 перенапряжения выбирается меньшим напряжения указанного измерительного прибора Uопн 100 мкс (например, токоограничивающий элемент 1 выполнен в виде резисторов сопротивлением 1 Ом, а емкость конденсатора 18 равна 100 мкФ), то напряжение на конденсаторе 18 будет существенно меньше, чем в линии (в нашем примере напряжение с 4000 В уменьшится приблизительно до 300 В). Если в качестве ограничителей 12-16 напряжения выбраны газовые разрядники, то напряжение на выходных выводах 1-5 и соответственно на защищаемом оборудовании 11 (по отношению к земле) будет приблизительно равно напряжению на конденсаторе 18, т.е. будет ограничено до 300 В. Если измерительное напряжение прибора — мегомметра Uип выбрано равным 500 В, а напряжение срабатывания ограничителя 19 перенапряжений (разрядника) равно 600 В, то по условию Uопн>Uип срабатывания ограничителя перенапряжения 19 не произойдет, т.е. режим короткого замыкания на землю не возникнет. При описанных в примере параметрах элементов схемы устройство защиты будет срабатывать при амплитуде импульсов напряжения более 90 В, но вместе с тем состояние его изоляции может быть проверено напряжением 500 В.

Только при напряжениях, близких к 10 кВ, что соответствует предельным значениям амплитуды индуцированных грозовых перенапряжений по ГОСТ 13109-97 для сети электропитания низкого напряжения, напряжение на конденсаторе 18 достигает 600 В и разрядник 19 может сработать. Таким образом, оптимальным выбором параметров схемы устройства защиты можно исключить срабатывания ограничителя 19 перенапряжений с замыканием линии на землю для большинства видов перенапряжений с наиболее часто встречающимися параметрами, но в то же время обеспечить достаточно низкий уровень ограничения перенапряжений на входе защищаемого устройства 11.

Когда из линии связи или кабеля сети электропитания на входе устройства защиты поступает по любому из проводов на входные выводы 20-24 импульс перенапряжения большой длительности, срабатывает один или несколько ограничителей 12-16 перенапряжения (например, 12), напряжение срабатывания которых выбрано из условия Uопн 100 мкс (например, токоограничивающие элементы 1-5 выполнены в виде резисторов сопротивлением 1 Ом, а емкость конденсатора 18 равна 100 мкФ), то напряжение на конденсаторе 18 будет существенно меньше, чем в линии (в нашем примере напряжение с 4000 В уменьшится приблизительно до 275 В). Если в качестве ограничителей 12-16 напряжения выбраны варисторы, то напряжение на выходных выводах и соответственно на защищаемом устройстве (по отношению к земле) будет равно напряжению на конденсаторе 18 плюс падение напряжения на варисторе, и в нашем примере будет ограничено приблизительно до 475 В. Если измерительное напряжение мегомметра Uип выбрано равным 500 В, а напряжение срабатывания ограничителя 19 перенапряжений (разрядника) равно 600 В, то по условию Uопн>Uип срабатывания ограничителя 19 перенапряжения не произойдет, т.е. режим короткого замыкания на землю не возникнет. При описанных в примере параметрах элементов схемы устройство защиты будет срабатывать при амплитуде импульсов напряжения более 90 В, но вместе с тем состояние его изоляции может быть проверено напряжением 500 В.

Смотрите так же:  Установка узо на счетчике

Только при напряжениях, близких к 10 кВ, что соответствует предельным значениям амплитуды индуцированных грозовых перенапряжений по ГОСТ 13109-97 для сети электропитания низкого напряжения, напряжение на конденсаторе 18 достигает 600 В и разрядник 19 может сработать. Таким образом, оптимальным выбором параметров схемы устройства защиты можно исключить срабатывания ограничителя 19 перенапряжений с замыканием линии на землю для большинства видов перенапряжений с наиболее часто встречающимися параметрами, но в то же время обеспечить достаточно низкий уровень ограничения перенапряжений на входе защищаемого устройства.

Когда из линии связи или кабеля сети электропитания на входе устройства защиты поступает на входные выводы 20-24 и по любому из проводов 6-10 импульс перенапряжения большой длительности, срабатывает один или несколько варисторных ограничителей 12-16 перенапряжения (например, 12), напряжение срабатывания которых выбрано из условия Uопн 100 мкс (например, токоограничивающий элемент 1 выполнен в виде резисторов сопротивлением 1 Ом, а емкость конденсатора 18 равна 100 мкФ), то напряжение на конденсаторе 18 будет существенно меньше, чем в линии 1 (в нашем примере напряжение с 4000 В уменьшится приблизительно до 275 В). Для комбинированных ограничителей 12-16 напряжения на варисторах и разрядниках напряжение на выходных выводах и соответственно на защищаемом устройстве 11 (по отношению к земле) будет равно приблизительно напряжению на конденсаторе 18 плюс падение напряжения на варисторе ограничителя 12, и в нашем примере будет ограничено приблизительно до 475 В. Если измерительное напряжение мегомметра Uип выбрано равным 500 В, а напряжение срабатывания ограничителя 19 перенапряжений (разрядника) равно 600 В, то по условию Uопн>Uип срабатывания ограничителя 19 перенапряжения не произойдет, т.е. режим короткого замыкания на землю не возникнет. При описанных в примере параметрах элементов схемы устройство защиты будет срабатывать при амплитуде импульсов напряжения более 90 В, но вместе с тем состояние его изоляции может быть проверено напряжением 500 В.

Только при напряжениях, близких к 10 кВ, что соответствует предельным значениям амплитуды индуцированных грозовых перенапряжений по ГОСТ 13109-97 для сети электропитания низкого напряжения, напряжение на конденсаторе 18 достигает 600 В и разрядник 19 может сработать. Таким образом, оптимальным выбором параметров схемы устройства защиты можно исключить срабатывания ограничителя 19 перенапряжений с замыканием линии на землю для большинства видов перенапряжений с наиболее часто встречающимися параметрами, но в то же время обеспечить достаточно низкий уровень ограничения перенапряжений на входе защищаемого устройства.

При проверке сопротивления изоляции мегомметр подключается между одним из входных выводов 20-24 или выходных выводов и землей. Ограничители напряжения 12-16, если они выбраны с напряжением ограничения (например, 90 В), меньшим измерительного напряжения мегомметра (например, 500 В), срабатывают, а ограничитель 19 напряжения при этом не срабатывает. При таких условиях мегомметр будет объективно измерять сопротивление изоляции устройства по отношению к земле.

Аналогично приведенной на схеме фиг.3 может быть реализована схема с заменой варисторов полупроводниковыми ограничителями перенапряжений.

Работа схемы устройства с использованием в качестве токоограничивающих элементов катушки индуктивности или катушки индуктивности с последовательно включенным резистором (фиг.4, 5) принципиально не отличается от работы, описанной для схем на фиг.1-3.

Таким образом, создано эффективное устройство защиты от перенапряжения и расширен арсенал устройств защиты от перенапряжения.

При этом повышена надежность и долговечность благодаря исключению режима возникновения короткого замыкания для кратковременных перенапряжений и токов, а также расширены функциональные возможности за счет расширения диапазона ограничения перенапряжений в сторону снижения их уровней и выполнения схемы устройства некритичной по отношению к Uип.

1. Устройство защиты оборудования от перенапряжений, содержащее группу токоограничивающих элементов, каждый из которых последовательно включен в один из проводов линий защищаемого оборудования, группу ограничителей перенапряжений, каждый из которых соединен входом с одним из проводов линий защищаемого оборудования, причем выходами ограничители перенапряжений соединены между собой звездой, общая точка которой связана с выводом заземления, отличающееся тем, что общая точка звезды связана с выводом заземления через конденсатор, емкость которого выбирается из условия: постоянная времени цепи заряда конденсатора через токоограничивающие элементы должна быть больше минимальной длительности перенапряжений.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что параллельно конденсатору включен дополнительный ограничитель перенапряжения, причем напряжение срабатывания дополнительного ограничителя перенапряжений выбирается большим напряжения измерительного прибора, используемого для измерения сопротивления изоляции или прибора контроля наличия замыкания, а напряжение срабатывания остальных ограничителей перенапряжения выбирается меньшим напряжения указанного измерительного прибора.

3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что оно содержит токоограничивающие элементы из состава: резистор, катушка индуктивности, их комбинация.

4. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что оно содержит ограничители перенапряжения из состава: разрядники, варисторы, комбинация разрядников и варисторов, полупроводниковые ограничители перенапряжений.

5. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что дополнительный ограничитель перенапряжения выполнен в виде разрядника.

Электробезопасный частный жилой дом и дача. Часть 4. Защита от перенапряжений

Несмотря на теоретическую возможность появления в системе электроснабжения 0.4 кВ импульсных перенапряжений с амплитудой в десятки киловольт, РЕАЛЬНОЕ значение амплитуды ограничивается импульсной прочностью изоляции электрооборудования.

Импульсная прочность изоляции электрооборудования с номинальным напряжением 230/400 вольт устанавливается стандартом и принимается равным 6 кВ. Исходя из этого, появление в цепях электрооборудования напряжения выше 6 кВ маловероятно (появление амплитуд выше 6 кВ возможно по данным российских ученых лишь в 10% случаев).

Исходя из этого ВСЕ электрооборудование до 1000 вольт было разделено на 4 категории (для трехфазных систем 230/400 вольт):

— 4 категория — это оборудование выдерживающее импульсное напряжение 6 кВ (электросчетчики, автоматы, разрядники и т.п.),

— 3 категория — это оборудование выдерживающее импульсное напряжение 4 кВ (розетки, выключатели, электродвигатели, распредщитки, проводка, электроплиты и т.д ),

— 2 категория — это оборудование выдерживающее импульсное напряжение 2.5 кВ (это оборудование которое подключается к розеткам (бытовые электроприборы, переносной электроинструмент и т. п.),

— 1 категория — это оборудование выдерживающее импульсное напряжение не более 1.5 кВ (оборудование содержащее полупроводниковые приборы и/или микросхемы).

Подведем теперь некоторые промежуточные итоги:

1. Импульсное перенапряжение от сети питания свыше 6 кВ нам не грозит.

2. Так как, электросчетчик, автоматы и разрядники относятся к 4 категории, то нет необходимости их защищать от импульсного перенапряжения.

3. Все что находится после п.2 необходимо защищать от им. перенапряжения, если это необходимо.

УЗИП.

Теперь, когда мы понимаем суть проблемы становится и ясно как с нею можно бороться. Главное что нам нужно сделать — это понизить импульсное напряжение в 6 кВ, если оно появится, до безопасных 1.5 кВ. Для этих целях служат УЗИП — устройство защиты от импульсных перенапряжений (ограничитель).

В начале пути своего развития УЗИПы делались для каждой категории отдельно, для 3 категории — ограничители I класса, для 2 категории — ограничители II класса, для категории I — ограничители III класса.

После электросчетчика и автомата, которые не нуждались в защите, устанавливали ограничитель I класса, который срезал им.напряжение 6 кВ до 4 кВ (1 ступень защиты). Далее по ходу питания, ставили ограничитель II класса, который срезал поступившее на него напряжение 4 кВ от ограничителя I класса — до 2.5 кВ ( 2 ступень защиты). Далее, опять по ходу питания ставили ограничитель III класса, который срезал поступившее на него напряжение от ограничителя II класса -2.5 кВ до 1.5 кВ (3 ступень защиты).

Наблюдательный читатель спросит — зачем такие сложности -нельзя ли сразу ограничить им.напряжение с 6 кВ до требуемых 1.5 кВ? Спешу его обрадовать — с развитием техники такое стало возможным. Сейчас имеются в продаже универсальные УЗИПы, совмещающие в одном корпусе ограничители I, II и III классов, I и II классов, II и III классов. В связи с этим отпала необходимость соблюдать минимально-необходимые расстояния (5-20 метров) между отдельно стоящими УЗИПами или вместо этого устанавливать между ними дроссели, которые имитировали такие расстояния.

Далее, несколько слов о наших нормах. Вот выдержка из Технического Циркуляра №30 за 2012 год

ЦИРКУЛЯРЫ АССОЦИАЦИИ «РОСЭЛЕКТРОМОНТАЖ» ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦИРКУЛЯР № 30/2012 «О ВЫПОЛНЕНИИ МОЛНИЕЗАЩИТЫ И ЗАЗЕМЛЕНИЯ ВЛ И ВЛИ ДО 1 кВ»

— Установка абонентских УЗИП носит рекомендательный характер, и они могут устанавливаться как на абонентском ответвлении, так и непосредственно у потребителя.

— Установка абонентских УЗИП без установки УЗИП на линии и на ТП не допускается.

— В сетях напряжением 380/220 В (400/230 В) для защиты линий применяют УЗИП с номинальным напряжением до 450 В, для защиты абонентских однофазных ответвлений применяют УЗИП с номинальным напряжением до 280 В.

— Наличие повторного заземления и системы уравнивания потенциалов у потребителя является обязательным.

То есть, во первых, если мы решили защитить наш дом с помощью УЗИП то необходимо убедится, что УЗИПы установлены на ВЛ и ТП. Во вторых — необходимо иметь заземляющее устройство.

МОЕ ЗАМЕЧАНИЕ к п.3 Циркуляра. В ввиду того, что на однофазном ответвлении к дому при аварийных ситуациях возможно появление напряжения до 380 вольт, то необходим УЗИП с номинальным напряжением выше 380 вольт (если ВЛ выполнена отдельными проводами).

Что бы не запутаться во всем этом, ниже я представил алгоритм принятия решения по установке е УЗИП в нашем доме:

Если все это имеет место в вашем случае (то есть соблюдены все необходимые условия) — можно приступать к работе по защите дома от перенапряжений (уже отталкиваясь от других норм).

Далее, давайте посмотрим, как работает УЗИП 1 кл. защиты.

Рис. 1. Защитные устройства УЗИП 1 класса в случае импульса перенапряжения от ВЛ и от прямого удара молнии

На рисунке сверху видно, что импульс перенапряжения пришел по фазному проводу от ВЛ в наш дом. Если он выше 4 кВ, то срабатывает разрядник и одна часть тока стечет в землю, через наше заземляющее устройство, а другая часть стечет на PEN провод, который на ВЛ повторно заземлен и на ТП соединен с глухозаземленной нейтралью трансформатора. На рисунке снизу, видно, что при прямом ударе молнии в наш молниеприемник, 50% тока молнии стечет через наше заземляющее устройство, а другая половина тока молнии растечется поровну между фазным и нулевым проводниками. Исходя из этого и выбирают УЗИП.

Смотрите так же:  Провода подключения усилителя

Молнии редко бывают с силой тока более 100 кА, поэтому в расчетах ток молнии принимают за эту величину. Итак, 50 кА в нашем примере ушло в наше заземляющее устройство. Оставшиеся 50 кА, при срабатывании нашего о УЗИПа, распределятся поровну между L и PEN проводами, то есть наш УЗИП должен быть рассчитан на ток не менее 25 кА.

О воздушной линии ( (ВЛ).

Становится понятным, что если ВЛ находится в плачевном состоянии (заземляющие спуски сгнили, оборваны и т.п ), то не найдя путь в землю ток молнии прямиком зайдет в наш дом и натворит кучу бед. Таким образом необходимо хорошо знать свою ВЛ и если есть сомнения в ее надежности, то необходимо, как минимум оборудовать столб от которого запитан ваш дом, то есть выполнить на этом столбе заземление нулевого провода, к этому заземлению соединить крюк (штырь) на котором держится изолятор вашего фазного провода, а если опора железобетонная, то и ее арматуру. Сделав это вы получите как бы 1 линию обороны уже на подступе к дому. 2 линия обороны — это уже установка УЗИПов на вводе в дом (1, 2 и 3 классов).

Примечание. Многие сейчас ответвление к вводу делают проводом СИП. Если его подключить к ВЛ “плохого качества” то при ПУМ в ВЛ — возможен пробой изоляции СИП, то есть надо делать такое ответвление отдельными проводами, разнесенными друг от друга (или принимать дополнительные меры защиты).

На ВЛИ (то есть ВЛ выполненной самонесущими изолированными проводами — СИП) ситуация уже будет другая. ПУМ (прямой удар молнии) в изолированный фазный провод практически нереален и в таком проводе возможен только наведенный импульс перенапряжения, вызванный близким разрядом молнии или от коммутаций. Для защиты изоляции ВЛИ сетевики уже вынуждены тщательно следить за разрядниками и т.п. что бы линия находилась в исправном состоянии.

Какой вывод можно сделать из сказанного? Если ВЛ находится в плохом состоянии то необходимо “оборудовать” cтолб от которого запитан наш дом и на вводе в дом установить мощный разрядник, рассчитанный на отвод тока молнии 50-100 кА (с формой тока 10 / 350 мкс).

Если же наш дом запитан от ВЛИ, то столб можно оставить в покое и разрядник установить попроще (с формой тока 8/20 мкс и на ток 6-10 кА).

Рассмотрим теперь тот же вариант, но дом оборудован еще и .

Если дом запитан от ВЛИ (или ВЛ в качестве которой мы уверены), то УЗИП для 1 ступени защиты необходимо выбирать исходя из распределения тока молнии при ПУМ в молниеприемник (как описано выше). Если же дом запитан от ВЛ в качестве которой мы не уверены, то необходимо исходить от ПУМ в фазный провод ВЛ.

Рис. 2. Выбор УЗИП для первой ступени защиты (для увеличения нажмите на рисунок).

В следующей части мы рассмотрим схемы включения УЗИП для с.TN-C-S и TT, как их выбрать, смонтировать и где все разместить, учитывая специфику частного дома и запитки его от ВЛ, а так же от наличия или отсутствия внешней молниезащиты.

Защита оборудования от перенапряжения

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

Импульсы перенапряжений в сети характеризуются формой волны и амплитудой тока. Форма импульса тока характеризуется временем его нарастания и спада — для европейских стандартов это импульсы 10/350 мкс и 8/20 мкс. В России, как это случается часто в последнее время, переняли стандарты Европы и появился ГОСТ Р 51992-2002. Числа в обозначении формы импульса означают следующее:
— первая — время (в микросекундах) нарастания импульса тока с 10% до 90% от максимального значения тока;
— вторая — время (в микросекундах) спада импульса тока до 50% от максимального значения тока;

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

Основными двумя приборами УЗИП являются разрядники и варисторы различной конструкции.

Разрядник — электрический прибор открытого (воздушного) или закрытого (наполненного инертными газами) типа, содержащий в простейшем случае два электрода. При превышении напряжения на электродах разрядника определенного значения, он «пробивается», тем самым ограничивая напряжение на электродах на определенном уровне. При пробое разрядника по нему протекает значительный ток (от сотен Ампер до десятков килоАмпер) за короткое время (до сотен микросекунд). После снятия импульса перенапряжения, если не была превышена мощность, которую способен рассеять разрядник — он переходит в исходное закрытое состояние до следующего импульса.

Основные характеристики разрядников:
1) Класс защиты (см. выше);
2) Номинальное рабочее напряжение — длительное, рекомендованное производителем рабочее напряжение разрядника;
3) Максимальное рабочее переменное напряжение — предельное длительное напряжение разрядника, при котором он гарантированно не сработает;
4) Максимальный импульсный разрядный ток (10/350) мкс — максимальное значение амплитуды тока с формой волны (10/350) мкс, при котором разрядник 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 разрядник обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
6) Напряжение ограничения — максимальное напряжение на электродах разрядника при его пробое из-за возникновения импульса перенапряжения;
7) Время срабатывания — время открывания разрядника (практически для всех разрядников — менее 100 нс);
8) (редко указываемый производителями параметр) статическое напряжение пробоя разрядника — статическое напряжение (медленно изменяемое во времени), при котором произойдет открытие разрядника. Измеряется подачей постоянного напряжения. В большинстве случаев оно на 20-30% превышает максимальное рабочее переменное напряжение, приведенное к постоянному (переменное напряжение, умноженное на корень из 2) ;

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)

Смотрите так же:  Провода высокого напряжения лансер 9

Варистор — полупроводниковый прибор с «крутой» симметричной вольт-амперной характеристикой.


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

Ведущими производителями, специализирующимися на УЗИП низковольтных сетей являются: Phoenix Contact; Dehn; OBO Bettermann; CITEL; Hakel. Также у многих производителей низковольтной аппаратуры, в продукции имеются модули УЗИП (ABB, Schneider Electric и др.). Кроме того, китай успешно копирует УЗИП мировых производителей (поскольку Варистор достаточно простой прибор, китайские производители изготавливают довольно качественную продукцию — например модули TYCOTIU).
Кроме того, на рынке довольно много готовых щитков защиты от импульсных перенапряжения, включающих в себя модули одного или двух классов защиты, а также предохранители для обеспечения безопасности, в случае выхода из строя защитных элементов. В этом случае, щиток закрепляется на стене и подключается к имеющейся электропроводке в соответствии с рекомендациями производителя.
Стоимость УЗИП разнится в зависимости от производителя в разы. В свое время (несколько лет назад), мною был проведен анализ рынка и выбран ряд производителей II класса защиты (некоторые в список не попали, в связи с отсутствием исполнений модулей на требуемое длительное рабочее напряжения 320 В или 350 В).
Как замечание по качеству, могу выделить только модули HAKEL (например PIIIMT 280 DS) — они имеют слабые контактные соединения вставок и изготовлены из горючего пластика, что запрещено ГОСТ Р 51992-2002. На данный момент HAKEL обновили ряд продукции — о ней ничего сказать не могу, т.к. не буду использовать HAKEL больше никогда

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.

Похожие статьи:

  • Измерение сопротивления постоянному току электрооборудования Измерение сопротивления постоянному току - Испытание изоляции электрооборудования повышенным напряжением Основными методами измерения сопротивления постоянному току являются: косвенный метод; метод непосредственной оценки и мостовой […]
  • Вв провода омега а Opel Omega Club Высоковольтные провода pilot 18 Мар 2008 Slicker 18 Мар 2008 Истребитель 18 Мар 2008 pilot 18 Мар 2008 pilot, В сервисе сказали верно - надо оригинал брать. Проверено - покупается 2 раза - г дешево выбрасывается, […]
  • Пускатель магнитный 18а катушка управления 220в Пускатель магнитный 9А катушка управления 220В АС 1НО+1НЗ LC1D (LC1D09M7) цена: 1 943,01 руб. Производитель: Schneider Electric/D Технический каталог кабельно-проводниковой и светотехнической продукции, электрооборудования, декоративного […]
  • Провода для свечей зажигания ваз 2109 Подбор свечей зажигания NGK для карбюраторных и инжекторных двигателей автомобилей ВАЗ 2108, 2109, 21099 Свечи зажигания NGK в настоящее время одни из наиболее распространенных. Имеют в основном хорошие отзывы о работе на двигателях ВАЗ […]
  • 3 фазы на вводной автомат Выбор номинала вводного автомата. В этой теме 18 ответов, 10 участников, последнее обновление trd55 23 Янв'19 в 04:32. Тимирязево Сейчас собираю вводной щиток (внутри дома), пока подключено временное электричество на 5 кВт одна фаза, […]
  • Электрические схемы магнитофонов Справочное издание автомобильная радиоприемная и звуковоспроизводящая аппаратура © издательство «радио и связь» 1987 Рис. 4.1. Принципиальная электрическая схема магнитофона «Алтай-301-стерео» Сигнал, снимаемый с универсальной магнитной […]