8. Защита от импульсных перенапряжений. кратко

    В летний период грозовой разряд в воздушную линию вызывает появление перенапряжений в десятки киловольт, носящих характер бегущих волн с большой крутизной и временем возрастания от нуля до максимума 1,0÷8,0 мкс. Попав во внутреннюю распределительную сеть здания, разряд может вызвать пробой, возгорание изоляции и выход из строя электрооборудования.

    Устройства защиты от разрядов молний (такие как молниеотводы или клетки Фарадея) закорачивают громные токи разряда на землю, существенно повышая потенциал земли вблизи зданий, на которых они установлены. Это вызывает перенапряжение на электрическом оборудовании непосредственно через контур заземления, а также косвенно за счет наводок на подземных кабелях электропитания.

    Аналогичные последствия могут вызвать коммутационные перенапряжения, возникающие при переключениях на подстанциях или при пуске и отключении мощных электропотребителей.
    Паразитные наводки могут, например, быть следствием работы: 
• Дуговых печей
• Контакторов
• Сварочных аппаратов
• Защитных автоматов
• Тиристорных устройств
• Пуска моторов
• И пр…

•     Эти наводки имеют малую энергию, однако их кратковременность, крутой фронт волны и пиковое значение (которое может достигать нескольких киловольт) могут иметь болезненное воздействие на правильность работы чувствительного оборудования, вызывая его пробой или полное разрушение.

    Ограничители импульсных перенапряжений (УЗИП) предназначены для защиты внутренних распределительных цепей жилых и общественных зданий от грозовых и коммутационных перенапряжений.

    Конструктивно ограничители содержат твердотельный композитный варистор из карбида цинка и механизм визуального контроля степени «износа» варистора с «аварийным» предохранителем.

    Карбид цинка обладает свойством практически мгновенно снижать свое сопротивление в тысячи раз при появлении на выводах сменного модуля напряжения, превышающего предельно допустимую величину.

    С помощью УЗИП можно создать весьма ффективную и долговременную защиту объекта.

    Одним из сновных условий при этом является наличие контура заземления, а для производственных помещений – и системы выравнивания потенциалов; ведь, несмотря на малую длительность, грозовой разряд несет значительную энергию. Максимальное пиковое значение тока разряда может достигать 100 кА, и при отсутствии выравнивания потенциалов вполне возможно возникновение опасного шагового напряжения. Трехступенчатая система защиты внутри здания позволяет плавно понижать опасный импульс перенапряжения «по ходу» в сторону потребителя до безопасной величины путем отбора и «слива» в землю части энергии быстродействующими разрядниками каждой ступени.

    При установке разрядников следует учесть, что последовательная (селективная) работа ступеней защиты будет обеспечена, если расстояние между ступенями по воздушной и кабельной цепям составляет не менее 7÷10 м. В этом случае при появлении бегущей волны разряда индуктивность участка цепи будет создавать необходимую постоянную времени задержки нарастания напряжения.

    Расстояние от разрядников, установленных в абонентском щите потребителя, до самой удаленной нагрузки не должно превышать 30 м.

I –до 1,5 кВ 
Специальное оборудование, которое, будучи присоединено к существующим электроустановкам зданий, нуждается в дополнительных устройствах защиты от импульсных перенапряжений. УЗИП могут быть встроены в оборудование категории I или расположены между этим оборудованием и остальной частью электроустановки (например, персональные компьютеры, которые подключены к питающей сети через удлинители со встроенными УЗИП).

II –до 2,5 кВ 
Оборудование, которое присоединяют к существующим электроустановкам зданий посредством штепсельных розеток и других аналогичных соединителей (например, бытовые электроприборы, радиоэлектронные приборы, переносной инструмент).

III –до 4,0 кВ 
Оборудование, установленное внутри зданий, которое составляет часть конкретной электроустановки здания и доступно для обычных лиц и необученного персонала. Примеры такого оборудования — распределительные щитки, проводка, выключатели и розетки, электроплиты.

IV –до 6,0 кВ 
Оборудование, установленное вблизи от электроустановок зданий (внутри или снаружи) перед главным распределительным щитом, которым может быть вводно-распределительное устройство для многоэтажных зданий или квартирный щиток для индивидуальных зданий (например, электрические счетчики, первичные аппараты защиты от сверхтоков).

I (B) - Первая ступень защиты от прямых или косвенных грозовых разрядов в ЛЭП на вводе в объект. Устанавливают на вводе в здание во вводно-распределительном устройстве (ВРУ) или в главном распределительном щите (ГРЩ).

II (C) - Вторая ступень защиты внутренних распределительных цепей объекта от грозовых разрядов и коммутационных перенапряжений. Устанавливают в распределительные щиты.

III (D) - Третья ступень защиты электрооборудования объекта от остаточных бросков напряжений, защита от дифференциальных (несимметричных) перенапряжений. Устанавливают в непосредственной близости от электропотребителей (электроприборов).

    Для того чтобы надежно защитить объект от воздействия любого вида перенапряжений, в первую очередь необходимо создать эффективную систему заземления и выравнивания потенциалов с системой электропитания TN-S или TN-C-S.

    Это важно не только с точки зрения защиты от импульсных перенапряжений, но и для защиты людей от поражения электрическим током (возможно применение УЗО).


    Следующим шагом должна стать установка защитных устройств.

    Основные принципы применения УЗИП в отечественной нормативной базе рассмотрены в ГОСТ Р 50571.26-2002. При установке защитных устройств необходимо, чтобы расстояние между соседними ступенями защиты было не менее 10 м по кабелю электропитания. Выполнение этого требования очень важно для правильной работы (координации срабатывания) защитных устройств. В момент возникновения в силовом кабеле импульсного грозового перенапряжения за счет увеличения индуктивного сопротивления металлических жил кабеля при протекании по ним импульса тока на них возникает падение напряжения, которое оказывается приложенным к первому каскаду защиты. Таким образом достигается его первоочередное срабатывание (обеспечивается необходимая временная задержка в нарастании импульса перенапряжения на следующей ступени защиты). 


    Перенапряжения, вызываемые разрядами молний создают очень большие токи (несколько десятков килоампер), и эти токи протекают очень короткое время (несколько микросекунд). Как результат, соединительные кабели представляют очень высокое полное сопротивление

(импеданс).     Напряжение, возникающее на 1 метре кабеля, составляет:
U=L di/dt = 1200 В (считая, что индуктивность 1 метра провода составляет 1 мкГн, а форма волны тока соответствует 8/20).

    Длина соединительных проводников между УЗИП и токоведущими проводниками, а также между УЗИП и клеммой заземления должны иметь минимально возможную длину, поскольку импеданс этих проводников будет существенно снижать эффективность защиты.


    Сечение кабельных жил зависит от предполагаемого тока короткого замыкания, который может идти от сети электропитания на электроустановку. Сечение кабелей должно быть не меньше сечения проводников в остальной части электроустановки.


    Проводники заземления всех соединенных между собой устройств защиты от перенапряжений и оборудования должны иметь выровненные потенциалы заземления для недопущения возникновения любой разности потенциалов между локальными точками заземления, которая может свести на нет уровень защиты, обеспечиваемый устройствами защиты от перенапряжения.


    Особенностью вольт-амперной характеристики варистора является наличие участка малых токов (от нуля до нескольких миллиампер), в котором находятся рабочая точка варистора и участок больших токов (до тысяч ампер), который в ряде случаев называют туннельным. 

    Туннельный участок во многом определяет функциональные свойства и, в частности, напряжение ограничения, т.е. максимальное импульсное напряжение, воздействующее на защищаемое электрооборудование при шунтировании его варистором.

    Одной из характеристик варистора является классификационное напряжение (Uкл). В качестве классификационного указано напряжение при токе 1,5 мА.

ГОСТ Р 50571.19-2000 Вопросы защиты электроустановок зданий от грозовых и коммутационных перенапряжений.
ГОСТ Р 50571.20-2000 Защита от перенапряжений, вызванных электромагнитными воздействиями.
ГОСТ Р 50571.26-2002 Выбор и монтаж устройств для защиты от импульсных перенапряжений в электроустановках зданий.
ГОСТ Р 51992-2002 Требования к работоспособности и методы испытаний устройств для защиты от импульсных перенапряжений — УЗИП.
ГОСТ Р 50571.21-2000 ГОСТ Р 50571.22-2000 Использование УЗИП в электроустановках, содержащих оборудование обработки информации, в дополнение к требованиям по защите оборудования информационных технологий от сбоев.
ПУЭ (глава 7.1, изд. 7-е) При воздушном вводе в жилые, общественные и другие здания должны устанавливаться ограничители импульсных перенапряжений.