2 Виды перенапряжений, возникающие в сети 0.4 кВ

Перенапряжение - (ПП) это внезапное повышение напряжения из-за наложения на рабочее сетевое напряжение импульса или волны напряжения до значений опасных для электроустановки.

ПП характеризуется временем нарастания t_f (мкс) и скоростью нарастания (кВ/мкс).

Если время переходного процесса нарастания/спада ПП меньше 1 мс, то такие ПП относят к импульсным (ИПН).

Импульсное перенапряжение - это кратковременное повышение напряжение длительностью от единиц наносекунд до десятков микросекунд, максимальное значение которого многократно превышает значение номинального напряжения электрической сети.

Импульсные перенапряжения возникают в системах электроснабжения в результате воздействия внешних или внутренних источников помех. Внешние источники помех, в первую очередь, связаны с атмосферными процессами, то есть энергией разряда молнии. Внутренние источники помех это – коммутации на различных уровнях СЭС (как на стороне 6-10 кВ, так и 0,4 кВ), короткие замыкания в СЭС или электроустановках потребителей, замыкания между системами различного напряжения.

Источниками возникновения импульсных перенапряжений являются удары молний, коммутационные процессы в распределительных электрических сетях и электромагнитные помехи, создаваемые промышленными электроустановками и электронными приборами. Параметры ИПН определяются источниками возникновения и электрическими свойствами проводников, в которых они возникают, а их появление носит вероятностный характер.

Перенапряжение, возникающие в сети характеризуют следующие показатели:

• кратность, которая равна отношению максимальной величины перенапряжения к максимальной амплитуде рабочего напряжения;

• максимальная величина;

• продолжительность;

• количество импульсов;

• повторяемость;

• время нарастания напряжения.

Классификация перенапряжений в технической литературе проводится по различным критериям в зависимости от решаемых задач. Наиболее часто перенапряжения классифицируют по следующим параметрам [7].

По силе их воздействия: внутрифазные (между витками трансформатора, нейтралью и землей); фазные; междуфазные.

По месту возникновения перенапряжения: внутренние – возникающие из-за аварий, коммутаций и различных резонансных явлений; внешние – источником служит разряд молнии или любой другой внешний источник.

Кроме того, внутренние перенапряжения разделяют на:

• атмосферные - формируются в результате грозовых разрядов;

• коммутационные - возникают в результате переключений;

• переходные - вызванные токами промышленной частоты;

• электростатические - возникают в результате электростатических воздействий.

Рассмотрим каждую разновидность в отдельности.

Атмосферные перенапряжения считаются наиболее опасным типом аварийных процессов. Для данной разновидности атмосферных явлений характерна высокая величина номинала напряжения, которая может достигать нескольких десятков тысяч вольт за период времени до 1мсек.

Коммутационные перенапряжения формируются в результате резкого изменения режима работы электросети, связанного включениями /отключениями мощных приемников с емкостным или индуктивным характером нагрузки. Такие явления в электросетях принято называть переходными процессами. Значение импульсов и волн при коммутационных перенапряжениях достигает десятков сотен вольт и определяется характеристиками электросети. Значения коммутационных импульсных перенапряжений в низковольтной электрической сети существенно меньше значения грозовых импульсных перенапряжений и, как правило, не превышают 2÷3 кВ [14].

Характер переходных процессов при атмосферных и коммутационных перенапряжениях показан на рис.2.1

Причинами возникновения коммутационных перенапряжений являются:

• отключение/включение устройств релейной защиты (автоматов, плавких предохранителей, реле, контакторов);

• остановка или пуск мощных синхронных, асинхронных двигателей, трансформаторов;

• включение/отключение батарей статических конденсаторов.

Рисунок 2.1 - искажение напряжение сети при импульсных перенапряжениях.

Переходные перенапряжения возникают под влиянием напряжений промышленной частоты. Такие явления возникают вследствие внутренних повреждений из-за дефектов изоляции фаза/корпус, обрыва нейтрального проводника и пр. частота таких процессов равна частоте сети.

Электростатические перенапряжения возникают в основном в сухих средах при скапливании электростатического разряда, которые формируют электростатическое поле.

2.1 Параметризация импульсных перенапряжений

Импульсы перенапряжений характеризуются формой волны и амплитудой напряжения (тока). Форма импульса характеризуется временем его нарастания T1 временем спада Т2 ( см.рис.2.2)

Числа в обозначении формы импульса означают следующее:

первая - время нарастания импульса тока (напряжения) с 10% до 90% от максимального значения, измеряется в микросекундах;

вторая — время спада импульса тока (напряжения) до 50% от максимального значения, измеряется в микросекундах.

Рисунок 2.2 – параметры импульсного сигнала

При описании процессов и проведении испытаний устройств защиты, связанных с импульсными перенапряжениями, используют импульсные сигналы напряжения и тока стандартизированной формы [34,35].

С тандартный грозовой импульс напряжения обозначается как «импульс напряжения 1,2/50». Форма импульса 1,2/50 показана на рис.2.3

Рисунок 2.3 - стандартизованный (грозовой) импульс напряжения

Время нарастания величины перенапряжения от нуля до уровня 0.9U_макс для стандартного импульса 1.2/50 составляет Т1=1.2мкс ± 30%, время спадания напряжения до уровня 0.5U_макс соответственно Т2=50мкс± 20%. Время Т2 еще называют «временем существования импульса».

Д ля обозначения разрядных токов, возникающих под действием перенапряжений, используют стандартные импульсы тока типа «10/350» и «8/20» (см. рис. 2.4)

Рисунок 2.4 - импульсы тока стандартной формы типа «10/350» и «8/20».

Токовые импульсы 10/350 («длинные») характерны для прямого удара молнии, а импульсы тока 8/20 («короткие») – наведенных перенапряжений (непрямой удар молнии) или коммутационных перенапряжений.

Разрядные токи при форме волны 10/350 обозначаются как импульсные I_imp, а при форме 8/20 - I_max .

Форма волны типа 10/350 является более опасной, так как перенапряжение дольше воздействует на изоляцию электроустановок, выделяя большее значение энергии, чем у импульса 8/20мск (см.рис.2.5).

Рисунок 2.5- сравнение энергии импульсов 10/350 и 8/20 мс.

2.2 Перенапряжения вызванные ударами молнии

2.2.1 Разрядные токи при ударе молнии

Молния — это электрический разряд атмосферного происхождения, который развивается между грозовым облаком и землей (или между грозовыми облаками.) Считается, что ток прямого удара молнии достигает примерно 100 тысяч Ампер, а напряжение до 1 миллиарда Вольт.

Самые мощные из зафиксированных молний:

• самая длинная - 321 км, Оклахома (США)

• самая продолжительная -7,74 секунды (Альпы)

• рекордная разность потенциалов - 1,3 10⁹ В (2014 г.) [31].

Величины разрядных токов молнии могут существенно отличаться в зависимости от состояния атмосферы и статистически частота и амплитуда токов молнии распределяются следующим образом (см. рис.2.6)

Рисунок 2.6 - частота разрядов молний в зависимости от их амплитуды [32].

2.2.2 Оценка вероятности удара молнии в объект электроснабжения

Компанией АВВ [32] разработан каталог наиболее характерных случаев, когда удары молнии могут представлять опасность для электрических сетей и оборудования в сетях 0.4кВ. Сказанное иллюстрируют приведенные далее рисунки.

Р исунок 2.7 – прямой удар молнии в молниеотвод.

Волна тока типа 10/350мкс

Рисунок 2.8 – близкий удар молнии в линию электропередачи.

Волна тока типа 10/350мкс

При наличии нескольких путей растекания тока замыкания, принимается допущение о равномерном распределении его по всем цепям.

Р исунок 2.9 - удаленный удар молнии в линию электропередачи.

В данном случае принимается допущение о равномерном распределении разрядного тока влево и вправо и его затухании с 10/350 до величины 8/20 при движении набегающей волны перенапряжения в сторону жилой постройки.

Рисунок 2.10 - импульс типа 8/20мкс индуцированный непрямым ударом молнии в землю вблизи линии электропередачи

Рисунок 2.11 - Импульс типа 8/20мкс индуцированный непрямым ударом молнии в дерево вблизи жилой постройки.

2.2.3 Уровни молниезащиты

В соответствие с ГОСТ РФ, разработанном на основании стандартов МЭК 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" различают три уровня молниезащиты административных зданий [20]:

I уровень молниезащиты здания - является наивысшим, предполагает прямой удар молнии с током 200кА и характеризуется длинной волной 10/350.

Рисунок 2.12 – молниезащита здания I уровня.

Это наихудший сценарий, когда прямой удар молнии приходится на наружную систему молниезащиты. Распределение разрядного тока молнии производится согласно принципу равномерного распределения по всем токопроводящим элементам здания [47].

Половина энергии этого импульса проводится на землю, а другая половина - на токопроводящую часть установки. При наличии только четырехпроводниковой системы электропитания, на каждый проводник приходится разрядный ток до 25 кА. При пятипроводниковой сети - 20 кА на проводник.

Данный уровень молниезащиты относится ко многим областям, включая: нефтехимические установки (взрывоопасные зоны) и склады взрывчатых материалов.

I I уровень молниезащиты предполагает импульс с разрядным током 150 кА. Удар молнии приходится на наружную систему молниезащиты. Также как и в предыдущем случае предполагаем, что половина этого импульса – 75кА, проводится на землю, а другая половина - на токопроводящую часть здания см. рис 2.13

Рисунок 2.13 – молниезащита здания II уровня

При наличии только четырехпроводниковой системы, на каждый проводник распределяется ток 19 кА. При пятипроводниковой сети этому случаю соответствует разрядный ток 15 кА.

Данный уровень молниезащиты относится ко многим областям, включая: отделения больниц, транспортные склады с системами пожарной сигнализации и телекоммуникационные вышки.

III уровень молниезащиты предполагает импульс тока в 100 кА (см.рис. 2.14). Удар приходится на наружную систему молниезащиты. Половина этого импульса проводится на землю, а другая половина - на токопроводящую часть установки.

П од требования данного уровня подпадают около 80 % всех зданий. Сюда относятся жилые здания, административные здания и промышленные предприятия.

Рисунок 2.14 – пути распределение разрядного тока при прямом ударе молнии в молниеотвод [32]

Как уже было сказано выше, по международному стандарту IEC 61 643-[38,47] предполагается, что 50% от общего тока разряда молнии уходит в линию заземления, а остальные 50% распределяются по каналам, входящим внутрь конструкции через внешние проводящие элементы, такие как трубопроводы, электропроводка, линии связи и передачи данных и пр.

Для обеспечения расчетного запаса при выборе устройств защиты от перенапряжений оборудования здания, считается, что эти оставшиеся 50% проходят исключительно по линиям электропитания. При использовании четырехпроводниковой сети величины разрядного тока при прямом ударе молнии равном 100кА и волне типа 10/350 разрядный ток для каждого проводника линии электропитания составляет

Таким образом, расчетное значение импульсного разрядного тока для выбора устройств защиты от импульсных перенапряжений защищаемого офисного (административного) здания составляет I_imp= 12.5 кА при форме волны 10/350.

В случае непрямого удара молнии наведенный импульс характеризуется формой волны 8/20, при этом разрядный ток импульса обозначенный как I_max , принимается равным 5кА.

2.3 Методика оценки риска удара молнии

Сущность методики [24], представленной ниже, заключается в дискретной эмпирической оценке ряда параметров на основании функционалов F и G.

Функционал F учитывает грозовую активность в месте расположения защищаемого оборудования и, следовательно, вероятность возникновения опасных грозовых импульсных перенапряжений. Это связано с тем, что согласно [24] вероятность повреждения электрооборудования в результате воздействия коммутационных импульсных перенапряжений существенно ниже, чем от грозовых. При этом следует учесть, что правильно организованная система защиты от грозовых импульсных перенапряжений позволяет эффективно защищать оборудование и от коммутационных импульсных перенапряжений.

Функционал G учитывает последствия повреждения оборудования.

Функционал F зависит от нескольких параметров и определяется выражением:

F = N_k (1,6 + 2L_ВТ + d, (2.1)

где

N_k – число грозовых дней в году. Число грозовых дней в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций, результаты которых сведены в таблицы или карты.

L_ВТ – коэффициент длины воздушных линий низкого напряжения, питающих электроустановку. Для практических расчетов численное значение L_ВТ принимается равным длине воздушных линий низкого напряжения, выраженной в километрах. Если длина линий низкого напряжения превышает 500 м, то значение коэффициента L_ВТ принимается равным 0,5.

В случае электроснабжения объекта по кабельным линиям L_ВТ = 0.

δ – коэффициент, учитывающий рельеф в месте расположения объекта с защищаемым оборудованием. Значение δ принимается в соответствии с табл. 2.1.

Таблица 2.1 Значение коэффициента δ в зависимости от рельефа местности

δ = 0	δ = 0,5	δ = 0,75	δ = 1
Полностью экранированное строение	Несколько расположенных вблизи строений	Равнина или полностью открытая местность	Возвышенность, вблизи с водоемом, в гористой местности, вблизи от молниеотвода

Функционал G оценивает последствия повреждения оборудования и определяется выражением:

G = M + I + P (2.2)

Параметр М учитывает стоимость оборудования, которое может быть повреждено в результате воздействия перенапряжений.

М =1 при низкой стоимости оборудования по сравнению со стоимостью выполнения защиты от перенапряжений. Для практических расчетов можно принимать М = 1 при стоимости оборудования меньше 1500 евро;

М = 2 при средней стоимости оборудования. Для практических расчетов можно принимать М = 2 при стоимости оборудования от 1500 до 15000 евро;

М = 3 при высокой стоимости оборудования. Для практических расчетов можно принимать М = 3 при стоимости оборудования свыше 15000 евро.

Параметр I учитывает ущерб, возникший от простоя электрооборудования, пострадавшего в результате воздействия перенапряжений. Для практических расчетов принимают [24]:

I = 1, если простой оборудования не сказывается на деятельности предприятия;

I = 2, если простой оборудования приводит к частичному нарушению деятельности предприятия;

I = 3 - при полном нарушении деятельности предприятия с неприемлемыми экономическими ущербами.

Параметр Р учитывает последствия от повреждения оборудования для здоровья и безопасности людей. Для практических расчетов принимают [24]:

Р = 0, если простой оборудования не представляет угрозы;

Р = 5, если простой оборудования опасен.

После оценки значений функционалов F и G делают вывод о необходимости установки защиты от импульсных перенапряжений на основании данных таблицы 2.2.

Таблица 2.2 Рекомендации по необходимости установки защиты в зависимости от риска

Значение функционалов	F ≤ 20	20 < F ≤ 40	40 < F ≤ 80	F > 80
G > 6	Рекомендуется	Необходимо	Необходимо	Необходимо
G = 5÷6	Рекомендуется	Рекомендуется	Необходимо	Необходимо
G = 3÷4	Не обязательно	Рекомендуется	Рекомендуется	Необходимо
G ≤ 2	Не обязательно	Не обязательно	Не обязательно	Рекомендуется

2.4 Уровни стойкости оборудования 0.4кВ к импульсным перенапряжениям

Безаварийная работа электрооборудования (ЭО) при воздействии импульсных перенапряжений может быть достигнута, если уровень собственной устойчивости ЭО превышает уровень воздействующих перенапряжений. Однако в реальных условиях эксплуатации уровень воздействующих перенапряжений является случайной величиной и может превышать уровень устойчивости оборудования, что приводит к нарушению его функционирования.

В целях координации уровней изоляции в электроустановках определены категории стойкости изоляции оборудования к перенапряжениям и представлена соответствующая классификация [49].

Номинальная стойкость оборудования к импульсным напряжениям - это импульсное напряжение, которое оборудование выдерживает без видимых повреждений. Этот параметр указывается изготовителем оборудования и характеризует способность изоляции выдерживать перенапряжения в соответствии правилами испытаний, изложенными в ГОСТ Р МЭК 60664.1-2012 [49].

Экономически нецелесообразно выполнять ЭО абсолютно стойким к самым жестким, возможным в процессе эксплуатации электромагнитным воздействиям. Поэтому собственная устойчивость электрооборудования низкого напряжения, характеризующая работоспособность оборудования при воздействии импульсных перенапряжений, определяется импульсной прочностью внутренней изоляцией ЭО, которая обеспечивается производителями оборудования в соответствии с требованиями ряда нормативных документов и стандартов, например [18, 19].

Однако в процессе эксплуатации, из-за влияния различных факторов, характеристики изоляционных конструкций, составляющих внутреннюю изоляцию ЭО, подвергаются изменениям. В изоляционных материалах неизбежно протекают физико-химические процессы, изменяющие их структуру или состав. Вследствие этого качество изоляции с течением времени ухудшается, электрическая и механическая прочность снижаются, диэлектрические потери и проводимость растут. При этом особое влияние на внутреннюю изоляцию ЭО оказывают импульсные перенапряжения.

Под влиянием импульсных перенапряжений возможна частичная или полная потеря изоляцией своих диэлектрических свойств, представляющая собой необратимый процесс, ведущий к выходу ЭО из строя. Указанное состояние характеризуется наличием дефектов внутренней изоляции, препятствующих дальнейшей эксплуатации оборудования, и возникает одномоментно или постепенно.

Строго говоря, импульсная прочность внутренней изоляции ЭО является случайной величиной.

Поэтому полное представление об импульсной прочности внутренней изоляции ЭО могут дать вольт-секундные характеристики, соответствующие различным вероятностям пробоя. Однако из-за экспериментальных трудностей такая исчерпывающая информация в полном объеме не получена ни для одного вида изоляции ЭО. Это связано с тем, что реальные значения импульсной прочности внутренней изоляции ЭО можно получить только ценой полного и необратимого повреждения всего устройства или отдельных его компонентов. Поэтому фактические значения импульсной устойчивости конкретного экземпляра ЭО, как правило, неизвестны, тем более что в экспериментах с одинаковыми изделиями наблюдаются значительные разбросы пробивных напряжений.

В табл.2.3 представлены ориентировочные значения амплитуд импульсных перенапряжений, при которых наступает мгновенное повреждение внутренней изоляции различного ЭО напряжением до 1000 В [20 – 22].

Таблица 2.3 Значения импульсных напряжений пробоя внутренней изоляции различного электрооборудования напряжением до 1000 В

Наименование изделия	Электрическая прочность изоляции, В
Силовые кабели	До 20000
Электропроводки	1000 ÷ 6000
Силовые приборы	5000 ÷ 8000
Слаботочные приборы	1000 ÷ 3000
Схемы с дискретными элементами (резисторами, конденсаторами и т. д.)	500 ÷ 5000
Интегральные микросхемы, биполярная техника, операционные усилители	50 ÷ 100

Как показано в [24], реальное пробивное напряжение внутренней изоляции ЭО любого типа является случайной величиной. Однако необходимость производства ЭО, пригодного для эксплуатации в определенных условиях, заставляет производителей обеспечивать импульсную прочность внутренней изоляции не ниже определенной, технико-экономически обоснованной, стандартизированной величины. Подобная величина устанавливается в соответствующих стандартах.

В электроустановках до 1000В различают 4 категории оборудования по стойкости изоляции, причем четвертая категория есть наивысшая из них.

Для трехфазных систем с глухозаземленной нейтралью оборудование со стойкостью к импульсным напряжениям, соответствующее IV категории перенапряжения, пригодно для применения на вводе в электроустановку или вблизи него, например выше главного распределительного щита. Оборудование IV категории обладает очень высокой стойкостью к импульсным напряжениям, обеспечивающей требуемый высокий уровень надежности.

Примерами такого оборудования являются электрические измерительные приборы, устройства первичной защиты от сверхтока и устройства сглаживания пульсаций.

Номинальное импульсное напряжение для оборудования IV категорий перенапряжения равно 6000В.

Оборудование со стойкостью к импульсным напряжениям, соответствующей III категории перенапряжения, пригодно для применения в стационарных установках далее по ходу распределения электроэнергии, включая главный распределительный щит, и обеспечивает высокий уровень эксплуатационной работоспособности.

Примерами такого оборудования являются распределительные щиты, автоматические выключатели, электропроводки, включая кабели, шины, соединительные коробки, выключатели, штепсельные розетки в стационарных установках, оборудование для применения в промышленных условиях и некоторое другое оборудование, например, неподвижно установленные двигатели с постоянным подключением к стационарным установкам.

Номинальное импульсное напряжение для оборудования III категорий перенапряжения равно 4000В.

Оборудование со стойкостью к импульсным напряжениям, соответствующей II категории перенапряжения, пригодно для подключения к стационарным установкам и обеспечивает нормальный уровень соответствия требованиям, предъявляемым обычно к электроприемникам. Примерами такого оборудования являются приборы электробытового назначения или и аналогичные им.

Номинальное импульсное напряжение для оборудования II категорий перенапряжения равно 2500В.

Оборудование со стойкостью к импульсным напряжениям, соответствующей I категории перенапряжения, пригодно для использования только в стационарных электроустановках зданий в случаях, когда для ограничения перенапряжений переходных процессов до заданного уровня применены средства защиты, установленные вне оборудования. Примерами такого оборудования является оборудование, содержащее электронные цепи, например компьютеры, бытовые приборы с электронным программированием и т.д.,

Номинальное импульсное напряжение для оборудования I категорий перенапряжения равно 1500В.

Таким образом, при разработке схемы электроснабжения офисного здания необходимо учесть, что в них используется, в том числе и оборудование соответствующее I категории перенапряжения.

В соответствии со стандартом [7] импульсная прочность внутренней изоляции характеризуется амплитудой кратковременного (импульсного) напряжения формы 1/50 мкс (рис.2.15), которое должна выдерживать электрическая изоляция ЭО без повреждений, определяемого термином – импульсное выдерживаемое напряжение.

При этом все ЭО низкого напряжения подразделяют на четыре категории импульсного сопротивления изоляции, а каждая категория характеризуется своим значением импульсного выдерживаемого напряжения (табл. 2.3).

Время нарастания Т1 = 1,2 мкс, длительность импульса Т2 = 50 мкс

Рисунок 2.15.-формы импульсной апериодической помехи

Таблица 2.4 Значение импульсного выдерживаемого напряжения электрооборудования

Номинальное напряжение электроустановки, В		Импульсное выдерживаемое напряжение электрооборудования, кВ
Трехфазные системы	Одно-фазные системы	Категория IV	Категория III	Категория II	Категория I
—	120 ÷ 240	4,0	2,5	1,5	0,8
230/240 277/480	—	6,0	4,0	2,5	1,5

Так оборудованию категории IV импульсного сопротивления изоляции должно соответствовать оборудование с амплитудой импульсного выдерживаемого напряжения 6 кВ. Оборудование категории IV разрешается устанавливать вблизи электроустановок зданий или перед главным распределительным щитом здания. К оборудованию категории IV относятся электросчетчики, автоматические выключатели, разрядники и т.д.

Оборудованию с импульсным сопротивлением категории III должно соответствовать оборудование с импульсным выдерживаемым напряжением 4 кВ. К оборудованию категории III относится оборудование, которое составляет часть конкретной электрической установки здания: распределительные щиты, кабели, распределительные коробки, розетки, переключатели, электродвигатели и т.д.

К категории II относится оборудование с импульсным выдерживаемым напряжением 2,5 кВ, которое соединяется с существующими электроустановками зданий посредством штепсельных розеток. К подобному оборудованию относятся бытовые приборы, переносной инструмент и т.д.

К категории I относится оборудование, содержащее полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы, при этом импульсное выдерживаемое напряжение оборудования категории I не превышает 1,5 кВ.

Статистические оценки, проведенные в [48] показывают, что риск превышения коммутационными перенапряжениями уровня категории II является небольшим.

В документации АВВ по вопросам защиты от импульсных перенапряжений приводится еще одна категория высокочувствительного оборудования с уровнем номинального импульсного напряжения 500-1000В [32] к которой они относят современные электронные устройства.