4.8 Разработка алгоритма проектирования защиты от импульсных перенапряжений

На основании требований нормативных документов и рекомендаций производителей защитной аппаратуры в настоящей работе разработан алгоритм проектирования защиты от импульсных перенапряжений.

1 шаг: определение значений функционалов F и G в соответствии с рекомендациями положениями подраздела 2.3 (см.выражения 2.1, 2.2).

2 шаг: оценка необходимости выполнения защиты электрооборудования от импульсных перенапряжений в соответствии с рекомендациями табл. 2.2.

3 шаг: принятие решения о выборе УЗИП 1 или 2 класса в зависимости от наличия или отсутствия молниезащиты здания в соответствии с рекомендациями параграфа 4.1 (см. табл.4.1).

4 шаг: определение значения наибольшего рабочего напряжение U_НРО (U_С) и временно допустимого повышения напряжения U_ВНО (U_Т) ОИП в зависимости от выбранного типа системы заземления в соответствии с данными табл. 4.2.

5 шаг: определение параметров ОИП:

1) номинальный I_Н (I_n) или максимальный I_МАКС (I_MAX) разрядные токи определяются на основании рекомендаций параграфа 4.3 и согласно табл. 4.3;

2) остающееся напряжение U_ОСТ (U_Р) определяются на основании рекомендаций параграфа 2.3 и согласно табл. 2.3;2.4

Шаг 6: выбор марки ОИП с параметрами, определенными шагом 4 и шагом 5 алгоритма. Параметры ОИП приведены в каталогах их изготовителей.

Шаг 7: определение параметров аппаратов защиты собственно ОИП от сверхтоков и перегрузок в соответствии с рекомендациями параграфа 4.4 и табл. 4.4.

Шаг 8: выбор схемы установки аппаратов защиты ОИП:

1. приоритет критерию бесперебойности электроснабжения – согласно рис. 4.1.б;

2. приоритет критерию бесперебойности защиты – согласно (рис. 4.1б).

Шаг 9: определение правила подключения ОИП в соответствии с рекомендациями параграфа 4.5

Шаг 10: выбор параметров ОИП класса 1 в случае его применения для защиты электрооборудования. Минимальное значение I_имп должно быть большим или равным 12,5 кА. Если ОИП с выбранными параметрами не производится, необходимо выбрать другой ограничитель. При этом необходимо учитывать, что применение ОИН с меньшими значениями номинального I_Н и максимального I_МАКС разрядных токов сокращает срок службы ОИП, а увеличение остающегося напряжения U_ОСТ ухудшает качество защиты электрооборудования от импульсных перенапряжений.

Шаг 11: выбор параметров ОИП2. Производится аналогично действиям блока 4, 5, 6

Шаг 12: проверяются условия координации между ОИП, применяемых в каскадных схемах в соответствии с рекомендациями параграфа 4.7 и табл. 4.5

5 Разработка схемы защиты электроприемников многоэтажного здания от импульсных перенапряжений

5.1 Характеристика защищаемого объекта

В соответствии с индивидуальным заданием необходимо проанализировать существующую схему электроснабжения учебно-лабораторного корпуса учебного заведения и разработать технические мероприятия направленные на повышение надежности питания компьютерной техники в условиях возможного наличия в сети импульсных перенапряжений.

Учебное заведение высшего профессионального образования расположено в г.Донецке. В своем составе имеет около 50 зданий и сооружений, в том числе 11 учебных корпусов. В соответствии с индивидуальным заданием в качестве объекта исследования и реконструкции принята схема электроснабжения одного из учебных корпусов постройки 1981года. Учебный корпус представляет собой 8-ми этажное здание с габаритами ДхШхВ = 115х18х27м (см. рис. 5.1). Здание построено с использованием сборных железобетонных конструкций, металлические элементы которых соединены между собой сваркой, заземлены. Кровля выполнена из железобетонных плит, металлические элементы которых также заземлены. Таким образом, в здании создана защитная клетка Фарадея.

Здание находится в зоне защиты одиночного стержневого молниеотвода, установленного на дымовой трубе котельной. План их взаимного расположения приведен на рис 5.1.

Сведения о параметрах зоны защиты молниеотвода отсутствуют.

Питание электроприемников осуществляется от ТП 6/0.4кВ примыкающего к стене здания. На ТП питание подается кабельной линией 6кВ. Режим работы нейтрали сети 0.4кВ - TN-C.

Щит вводного распределительного устройства (ВРУ) расположен в цокольном этаже. Ввод питания в здание кабельный.

На каждом этаже здания имеются свои распределительные щиты (РЩ). Защищаемая лаборатория расположена на 4 этаже.

Длины кабельных линий:

«ВРУ-РЩ1» (4этаж) – 17м,

«РЩ1-ЗЩ2» (офис) - 38м.

В лаборатории установлена компьютерная и оргтехника. По стойкости изоляции оборудование данное относится к категории I.

Рисунок 5.1-схематический план защищаемого объекта.

План прокладки кабелей

5.2 Определение границ зон защиты оборудования от импульсных перенапряжений

В соответствие с зонной концепцией построения защиты от ИПН разбиваем объем здания на 3 условных зоны (см. рис 5.1), на границах которых располагаем УЗИП. Функциональная схема расположения защит на границах зон приведен на рис.5.2.

Рисунок 5.2 -функциональная схема расположения зон и классов защиты от импульсных перенапряжений

Зона защиты 0в находится на внешней стороне здания, теоретически подверженной прямым ударам молнии. Зона примыкает к ВРУ, оборудование которого имеет IV категорию стойкости изоляции и способно выдерживать без разрушения импульсные перенапряжения типа 10/350 величиной до 6кВ.

В этой зоне при наличии опасности прямых ударов молнии требуется установка молниеотвода или использование экранирующих свойств арматуры железобетонных конструкций здания при их надежном заземлении.

Зона 1 – это пространство до ВРУ 0.4кВ включительно. Оборудование щита соответствует III категории по стойкости изоляции и способно выдерживать импульсные перенапряжения типа 10/350 величиной до 4кВ.

В зоне 1 необходимо установить УЗИП 1 класса (В) с использованием разрядников.

Зона 2 охватывает оборудование от ВРУдо распределительного щита РЩ1, расположенного на 4 этаже. Оборудование щита соответствует II категории по стойкости изоляции и способно выдерживать импульсные перенапряжения типа 8/20 мкс величиной до 2.5кВ.

В зоне 2 необходимо установить УЗИП 2 класса (С) с использованием варисторов.

Зона 3 защиты – это пространство от РЩ1 до вводного распредщитка РЩ 2 включительно. Электрооборудование этой зоны соответствует I категории стойкости изоляции и способно без повреждения выдерживать импульсы перенапряжения типа 8/20мкс величиной до 1.5кВ.

На входе в зону 3 необходимо установить защиту 3 класса (D) варисторного типа.

Далее рассмотрим вопросы реализации защиты в каждой из обозначенных зон.

5.3 Расчет молниезащиты здания (зона 0)

5.3.1 Определение исходных данных

1) Класс взрыво- и пожароопасности здания – «категория Д».

Источник - Федеральный закон от 22.07.2008 N 123-ФЗ (ред. от 27.12.2018) "Технический регламент о требованиях пожарной безопасности";

Статья 27. Определение категории зданий, сооружений и помещений по пожарной и взрывопожарной опасности.

Цитата:

«10. К категории Д относятся помещения, в которых находятся (обращаются) негорючие вещества и материалы в холодном состоянии».

2) Тип зоны защиты здания и категория молниезащиты – «Зона Б, категория III».

Источник: РД 34.21.122-87 Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. Утверждена Главтехуправлением Минэнерго СССР 12.10 1987г; табл. 1 п.15 «учебное, административное здание»

3)  О необходимости специальной молниезащиты –«необходима».

Основание: источник - ПУЭ раздел 4 пункт 4.2.134:

«Здания закрытых РУ и ПС следует защищать от прямых ударов молнии в районах с числом грозовых часов в году более 20».

Согласно [17] число грозовых часов в год в Донецке Т_г=80 час/год .

5.3.2 Расчет молниезащиты

План размещения защищаемого здания относительно молниеотвода показан на рис.5.3.

Рисунок 5.3 - фрагмент плана расположения зданий университета [26]

С оотношение высот защищаемого здания и молниеотвода с привязкой к местности показано на рис.5.4

Рисунок 5.4 –соотношение высоты защищаемого здания и молниеотвода

Задачу защиты здания от прямых ударов молнии с помощью молниеотвода, установленного на дымовой трубе, решаем графо-аналитически. Если защищаемое здание находится внутри конусообразной зоны защиты одиночного молниеотвода, защиту можно считать эффективной. В противном случае надо установить молниеотвод большей высоты или применить другие методы отвода импульсных токов, возникающих при прямых ударах молнии.

На дымовой трубе котельной высотой h₀=50м (см. рис 5.5) установлен одиночный штыревой молниеотвод длиною h_м=4м. Нулевая отметка фундамента здания расположена ниже нулевой отметки дымовой трубы на 4м. Таким образом, эффективная высота здания по отношению к молниеотводу составляет

h_з = (27-4) =23м.

Стандартной зоной защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой h=54м является круговой конус высотой h₀ =50м, вершина которого совпадает с вертикальной осью молниеотвода (см.рис. 5.5).

Габариты зоны определяются двумя параметрами: высотой конуса h₀ и радиусом конуса на уровне земли r₀. [41].

По степени надежности защиты различают два типа зон:

• А – степень надежности защиты превышает 99,5%;

• Б – степень надежности защиты составляет 95-99,5%.

Тип зоны регламентируется требованиями ПУЭ и зависит от соотношения высот h и h₀. В нашем случае и h₀ /h=50/54=0.925, что позволяет реализовать молниезащиту с зоной типа Б [42], которая в данном случае удовлетворяет требованиям ПУЭ.

Связь между параметрами молниеотвода для защиты с зоной типа Б определяется формулами [42]:

r₀ = 1,5h= 1,5·54 = 81м

r_x=1.5(h-1.1h_x) = 1.5(54-1.1·23) = 55,7м,

где r_х – радиус горизонтального сечения на высоте защищаемого объекта, м;

h_х=h_з=23м – наибольшая высота защищаемого сооружения относительно молниеотвода.

На рис.5.6 показан план расположения молниеотвода и защищаемого здания. Пересечение конуса надежной молниезащиты и крыши здания на h_х = h_з= 23м дает возможность определить радиусом окружности, вписанной в границы защитного конуса.

Таким образом, радиус окружности сечения конуса надежной защиты на высоте здания составляет r_x=55,7м, т.е. зона защиты молниеотвода на высоте крыши защищаемого здания находится внутри конуса на расстоянии не более чем 55,7м.

Р исунок 5.5 – зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

Рисунок 5.6- зона защиты молниеотвода на высоте здания

Из рис.5.6 следует, что имеются участки крыши, которые не защищены молниеотводом (заштрихованы). Это требует применения дополнительных средств защиты.

Руководствуясь разъяснениями ПУЭ, в данном случае можно в принципе не сооружать более высокий молниеотвод, т.к., согласно пункта 4.2.13, имеется возможность использовать имеющуюся внутри здания защитную клетку Фарадея:

«Защиту зданий закрытых РУ и ПС, имеющих металлические покрытия кровли, следует выполнять заземлением этих покрытий. При наличии железобетонной кровли и непрерывной электрической связи отдельных ее элементов защита выполняется заземлением ее арматуры».

Однако, в связи с отсутствием достоверных данных о состоянии элементов клетки Фарадея здания, построенного около 40 лет назад, дополнительно оценим риски поражения молнией незащищенных участков крыши здания с учетом грозовой активности в месте установки защищаемого объекта.

Ожидаемое количество поражений молнией в год (N) для зданий и сооружений прямоугольной формы согласно [41] производится по формуле:

N=[(B+6h_x) (A+6h_x) – 7,7h_x²] n 10^-6

где n – среднегодовое число ударов молнии на 1км² земной поверхности (плотность ударов молний) в месте нахождения здания или сооружения, 1/(км²·год);

A =115м – длина объекта;

B=18м – ширина объекта.

Согласно [43] средняя плотность ударов молнии n определяется по формуле:

n=6,7·Т_г = 6,7·80/100=5,36 раз год/км²,

здесь Т_г=80час /год - продолжительность гроз в год в Донецке.

Таким образом, ожидаемое количество N поражений молнией незащищенных участков крыши здания составляет

N= [(18+6·23) (115+6·23) – 7,7·23²] 5,36·10^-6 = 0,0176 раз/год.

Выводы расчету молниезащиты.

1.Внешний периметр здания от прямых ударов молнии защищен молниеотводом частично. Имеются участки крыши, которые в зону защиты молниеотвода не попадают (см.рис. 4.6).

2. Внутренние пространства здания защищены от перенапряжений, наведенных при прямых ударах молнии, металлической арматурой железобетонных конструкций. Данный способ является эффективным только при надежном (сварном) соединении всех элементов арматуры и их надежном заземлении.

3. Несмотря на наличие кабельного ввода питания 0.4кВ, в главном распределительном устройстве необходимо предусмотреть дополнительную защиту от импульсных перенапряжений, т.к. имеет место хоть и незначительная (0.176 раз/год) возможность прямого удара молнии в здание.

5.4 Выбор оборудования УЗИП (зоны 1-3)

Выбор УЗИП производится на основании критериев изложенных в [44, п.6.2.1].

1) Максимальное длительное рабочее напряжение U_c устройства должно быть не ниже максимального длительного напряжения сети U_cs

U_с >U_cs.

где U_cs.=1,1 U₀ ,

здесь U₀ напряжение между фазой и нейтралью системы.

Для системы TN-S принимаем U₀= U_фн=220В.

2) Характеристика временного перенапряжения (ВПН) – (U_T, Т ) – т.е. устойчивость УЗИП к воздействию временных перенапряжений величиной U_TOV в течение заданного промежутка времени Т должна быть достаточной:

U_T > U_TOV .

Для системы TN-S принимает U_TOV = U_Л =380В.

3) Энергетическая характеристика I_imp , I_max, I_n – должна быть достаточной. Она определяется пиковым значением тока I_разр и зарядом Q, протекающими через ограничитель при приложении различных испытательных импульсов.

Выбор энергетической стойкости УЗИП зависит от класса защиты и, согласно рекомендаций ГОСТ Р МЭК 61643-12-2011 [44], должен основываться на:

• анализе рисков, оценивающих вероятность возникновения импульсов;

• стоимости оборудования подлежащего защите;

• приемлемой норме отказов (надежности).

При необходимости можно использовать более высокие значения, чем предпочтительные.

В приложении L [44] – изложены подходы к решению этих вопросов, при этом отмечается, что методики расчета находятся в стадии рассмотрения МЭК. Исходя из изложенного, выбор энергетических характеристик произведем на основании проведенного ранее анализа о назначении и режимах работы УЗИП разных классов и требований, предъявляемых стандартами E DIN VDE 0675-6/А1/03-96 (таблица 4) и E DIN VDE 0675-6/11-89 (таблица 6) [45], а именно:

а) I_n - номинальный импульсный разрядный ток. Это значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, который ограничитель должен пропустить без существенного изменения параметров 20 раз;

б) импульсный ток однократного воздействия – ток, который ограничитель должен пропустить один раз без разрушения и существенного изменения параметров. Для УЗИП класса I –применяется испытательный импульс 10/350мкс. Ток обозначается как - I_imp- импульсный разрядный ток. Для УЗИП класса II – испытательный импульс 8/20мкс. Ток обозначается как I_mах - максимальный разрядный ток.

Результаты выбора УЗИП сведены в табл.5.1

Таблица 5.1 . Выбор устройств защиты от импульсных перенапряжений

Обозначение элемента на схеме рис.15	Условие	Параметр		Тип УЗИП, класс, тип производитель
		каталог	расчет
FV	1. Рабочее напряжение: Uс >=1.1Uф	440В	242 В	FLT 60-400 Класс В, разрядник Phoenix Contac
RV1		440		VAL-MS Класс С, варистор Phoenix Contac
RV2		440		PROTEC D Класс D, варистор Iskra Zascite
FV	2.Характеристика временного перенапряжения: UT > UЛ	440В	380 В	FLT 60-400 Класс В, разрядник Phoenix Contac
RV1		440В		VAL-MS Класс С, варистор Phoenix Contac
RV2		380В		PROTEC D Класс D, варистор Iskra Zascite
	3.Токи при срабатывании Iimp – импульсный Imax - максимальный In - номинальный		Параметры в соответствие с требованиями стандарта
FV		Iimp=60кА	E DIN VDE 0675-6/А1/ 03-96 (таблица 4) (при импульсе10/350 мкc Iimp = 0,5 - 50 кА) [19]	FLT 60-400 Класс В, разрядник Phoenix Contac
RV1		Imax=40кА In=15 кА	E DIN VDE 0675-6/11-89 (таблица 6) (при импульсе 8/20 мкc In = 5 кА) [19]	VAL-MS Класс С, варистор Phoenix Contac
RV2		Imax=6 кА In=3 кА	E DIN VDE0675-6/11-89 (таблица 6) (при импульсе 8/20 мкc Isn = 1,5 кА) [19]	PROTEC D Класс D, варистор Iskra Zascite