3 Средства защиты от импульсных перенапряжений

Для защиты зданий и сооружений от прямых ударов молнии сооружается специальная система молниезащиты. изоляции электротехнического оборудования

Ограничитель перенапряжения в электроустановках напряжением до 1 кВ называют устройством защиты от импульсных перенапряжений – УЗИП. Они служат для ограничения переходных перенапряжений и отвода импульсов тока на землю, снижения амплитуды перенапряжения до уровня, безопасного для электрических установок и оборудования.

УЗИП применяются как в гражданском строительстве, так и на промышленных объектах.

Основной нормативный документ, определяющий, что такое УЗИП - это ГОСТ Р 51992-2002, «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах» [34].

УЗИП призваны обеспечить защиту от ударов молнии в систему молниезащиты здания или воздушную линию электропередачи, защитить высокочувствительное оборудование и технику от импульсных перенапряжений и коммутационных бросков питания.

3.1 Зонная концепция защиты от перенапряжений

В 70 – е годы ХХ-го века была разработана так называемая «зонная концепция защиты от ИПН», вошедшая в дальнейшем в стандарт МЭК и национальные стандарты стран – членов МЭК, в том числе России [50].

Основные принципы зонной концепции:

- разделение объекта на условные защитные зоны и применение в каждой из них специальных устройств защиты от перенапряжений (УЗИП);

- использование существующих строительных конструкций с металлическими элементами (арматурой, каркасами, несущими элементами и т.п.), путем создания электрической связи между ними и системой заземления, что позволяет создать внутри объекта экранирующую среду для уменьшения воздействия внешних электромагнитных влияний («клетка Фарадея»);

- соблюдение правил размещения защищаемого оборудования и подключенных к нему проводников относительно другого оборудования и проводников, способных оказывать опасное воздействие или вызвать наводки;

- наличие правильно выполненной системы заземления и уравнивания потенциалов.

О сновные пути распространения ИПН для объектов различного типа приведены на рис.3.1

Рисунок 3.1- основные пути попадания ИПН в электрическую сеть

Принцип создания защитной экранирующей клетки Фарадея поясняет рисунок 3.2. Элементы арматуры железобетонных конструкции зданий должны быть надежно соединены между собой сваркой. Металлические элементы железобетонных фундаментов используются в качестве естественного заземляющего устройства. В совокупности с системой выравнивания потенциалов это позволяет достаточно хорошо экранировать от электромагнитных воздействий находящуюся внутри технику, отводя на землю большую опасную часть тока при прямом попадании молнии в объект .

Рисунок 3.2-структура здания (клеть Фарадея) и растекание токов по металлоконструкциям при прямом ударе молнии

Стандарт МЭК определяет зоны молниезащиты с точки зрения прямого и непрямого воздействия молнии (см.рис. 3.3):

Зона 0_А -это зона внешней среды объекта, все точки которой могут подвергаться воздействию прямого удара молнии (иметь непосредственный контакт с каналом молнии) и возникающего при этом электромагнитного поля.

Зона 0_В –это зона внешней среды объекта, точки которой прямому удару молнии не подвергаются, так как находятся в пространстве, защищенном системой внешней молниезащиты. Однако в данной зоне имеется воздействие неослабленного электромагнитного поля.

Зона 1- внутренняя зона объекта, точки которой не подвергаются воздействию прямого удара молнии. В этой зоне токи, вызванные ИПН во всех токопроводящих частях имеют значительно меньшее значение по сравнению с зонами 0_А и 0_В. Электромагнитное поле также снижено по сравнению с зонами 0_А и 0_В за счёт экранирующих свойств строительных конструкций.

Последующие зоны (Зона 2 и т.д.) формируются, если требуется дальнейшее снижение разрядных токов или электромагнитного поля в местах размещения чувствительного оборудования.

Имеет место общее правило, по которому с увеличением номера защитной зоны уменьшаются влияние электромагнитного поля и грозового тока. На границах раздела отдельных зон необходимо обеспечить защитное последовательное соединение всех металлических частей, с возможностью периодического контроля мест соединения

Рисунок 3.3 -разделение защищаемого объекта на зоны

На распределение энергии электромагнитных полей внутри объекта оказывают влияние различные элементы строительных конструкций такие как: отверстия или щели (например, окна, двери) обшивки из листовой стали (водосточные трубы, карнизы), а также места ввода – вывода кабелей электропитания, связи и других коммуникаций.

На рис.3.4 приведен пример разделения защищаемого объекта на несколько зон. Кабели электропитания, связи и другие металлические коммуникации должны входить в защитную зону 1 в одной точке и своими экранными оболочками или металлическими частями подключаться к главной заземляющей шине на границе зон 0_А - 0_В и зоны 1.

3.2 Классы УЗИП по уровню ограничения перенапряжений

Описанное выше разделение объекта на условные зоны позволяет на практике эффективно решать вопросы защиты электропитающих сетей 0.4 В, а также линий связи, передачи данных, компьютерных сетей и других коммуникаций, входящих в объект, с помощью применения различного типа устройств защиты от импульсных перенапряжений (или так называемой внутренней системы молниезащиты).

Для гарантированной защиты объекта от перенапряжений, возникающих при стекании токов молнии на заземляющее устройство или при «приходе» волны перенапряжения по питающей сети (в случае далекого удара молнии), «Зонной концепцией» предусмотрена трёхступенчатая схема включения защитных устройств.

В соответствии с указанными ступенями различают три класса УЗИП, назначение которых приведены ниже.

УЗИП Iкласса - предназначены для защиты от прямых ударов молнии в систему здания (объекта) или воздушную линию электропередачи. Устанавливаются на вводе в здание во вводном распределительном устройстве (ВРУ) или главном распределительном щите (ГРЩ). Испытываются импульсным током I_imp с формой волны 10/350 мкс.

В технической литературе УЗИП Iкласса  также называют защитой класса B, а совокупность защитных мер, расположенных за пределами здания ( в зонах О_А , О_В.) – защитой класса А.

УЗИП II класса - предназначены для защиты токораспределительной сети объекта от коммутационных перенапряжений или как вторая ступень защиты при ударе молнии. Устанавливаются в распределительные щиты. Испытываются импульсным током I_max с формой волны 8/20 мкс.

В технической литературе УЗИП II класса называют также защитой класса С.

УЗИП III класса - предназначены для защиты потребителей от остаточных бросков напряжений, защиты от дифференциальных (несимметричных) перенапряжений (например, между фазой и нулевым рабочим проводником в системе TN-S), фильтрации высокочастотных помех. Устанавливаются непосредственно возле потребителя. Могут иметь самую разнообразную конструкцию (в виде розеток, сетевых вилок, отдельных модулей для установки на DIN-рейку или навесным монтажом). Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс.

В технической литературе УЗИП III класса называют также защитой класса D.

УЗИП характеризуется следующими параметрами:

U_n – номинальное напряжение сети;

U_c– максимальное длительное рабочее напряжение, при котором УЗИП длительно сохраняет работоспособность (не менее чем действующее напряжение сети);

I_imp– амплитуда импульсного тока 10/350 мкс, который УЗИП пропускает без повреждения хотя бы один раз (для УЗИП I класса);

I_max– амплитуда импульса 8/20 мкс, который УЗИП пропускает без повреждения хотя бы один раз (для УЗИП II класса);

I_n– номинальный разрядный ток – амплитуда импульса тока 8/20 мкс, протекающего через УЗИП; этот ток УЗИП выдерживает многократно, при этом токе определяется уровень защиты УЗИП на базе варисторов;

U_p– уровень напряжения защиты – характеризует УЗИП в части ограничения напряжения на его выводах при протекании через него тока I_n;

If– допустимый сопровождающий ток (для УЗИП на базе разрядника);

T_a – время срабатывания УЗИП.

3.3 Классификация УЗИП по принципу действия

По принципу действия УЗИП делятся на коммутирующие, ограничивающие и комбинированные [36]. УЗИП включаются между защищаемой цепью и землей. Независимо от принципа действия, все они должны иметь высокое полное сопротивление при отсутствии импульсных воздействий и быстро снижать его при нарастании импульса напряжения, отводя таким образом часть полного тока молнии в землю.

УЗИП коммутирующего типа эффективно срезают перенапряжение, обеспечивая гальваническую развязку (рис.3.5). Примерами таких устройств являются искровые разрядники. Достоинством разрядников является отсутствие токов утечки, если уровень приложенного напряжения ниже уровня срабатывания.

УЗИП ограничивающего типа эффективно ограничивают напряжение за счет рассеяния энергии импульса (рис.3.6). Примерами устройств, используемых в качестве нелинейных ограничителей, являются варисторы. По сравнению с разрядниками они имеют один недостаток – допускают протекание небольшого тока утечки при отсутствии перенапряжений.

Р исунок 3.5- форма импульса напряжения при срабатывании разрядника:

а ) условное обозначение; б) ограничивающее действие разрядника.

Рисунок 3.6 - форма импульса напряжения при срабатывании варистора:

а) условное обозначение; б) ограничивающее действие варистора

УЗИП комбинированного типа содержит элементы, как коммутирующего, так и ограничивающего напряжение типа, которые могут коммутировать и ограничивать напряжение или выполнять обе функции в зависимости от приложенного напряжения (рис.3.7).

Рисунок 3.7 - форма импульса напряжения при срабатывании УЗИП комбинированного типа: а) условное обозначение - газонаполненный разрядник и варистор; б) ограничивающее действие: до уровня U_п1 – разрядник, до уровня U_п2 - варистор.

3.4 Элементная база устройств ограничения перенапряжений

3.4.1 Устройства ограничения перенапряжений I класса

В зоне 0 для подавления перенапряжений используют устройства типа «разрядник с искровым промежутком», отличающиеся большой пропускной способностью.

Конструктивно разрядник состоит из электродов с искровым промежутком между ними и дугогасительного устройства [37]. Один из электродов присоединяется к защищаемой цепи, другой — заземляется. В нормальном режиме сопротивление промежутка может быть очень большим (несколько десятков гигаом - 10⁹). При появлении импульса перенапряжения происходит пробой искрового промежутка, ограничивая тем самым перенапряжения в установке.

Процессы, происходящие при работе разрядника, иллюстрирует рис.3.8, на котором показаны:

1 — номинальное напряжение,

2 – требуемая вольт-секундная характеристика разрядника;

3 — вольт-секундная характеристика изоляции оборудования (т. е. время, в течение которого изоляция может выдержать данное перенапряжение не повреждаясь);

4 – импульсное перенапряжение.

При возникновении перенапряжения (кривая 4) искровой промежуток разрядника пробивается раньше (точка 0), чем изоляция оборудования. После пробоя линия (сеть) заземляется через небольшое сопротивление разрядника т.е. практически накоротко. При этом напряжение на линии определяется значением тока через разрядник и сопротивлениями разрядника и заземления.

Падение напряжения на разряднике при протекании импульсного тока данного значения и формы называется остающимся напряжением. Чем меньше это напряжение, тем лучше качество разрядника.

После пробоя разрядника от импульса перенапряжения его искровой промежуток становится ионизированным и легко пробивается фазным напряжением. Возникает короткое замыкание на землю и через разрядник протекает ток промышленной частоты, который называется сопровождающим.

Ч тобы избежать срабатывания защиты и отключения оборудования, разрядник должен отключить сопровождающий ток за возможно малое время (примерно за полупериод промышленной частоты).

.

Рисунок 3.8 - вольт-секундные характеристики разрядника

К разрядникам предъявляются следующие требования:

1. Вольт-секундная характеристика разрядника должна быть ниже, чем у защищаемого объекта.

2. Искровой промежуток разрядника должен иметь определенную гарантированную электрическую прочность при промышленной частоте.

3. Остающееся напряжение на разряднике, характеризующее его ограничивающую способность, не должно превышать значений, которые опасны для изоляции оборудования.

4. Сопровождающий ток должен отключаться на малое время.

5. Разрядник должен допускать большое число срабатываний без осмотра и ремонта.