Кондуктивные электромагнитные помехи в системах электроснабжения. Учебное пособие

П-образные фильтры (рис. 3.5). В них дважды импульс помехи «закорачивается» на малое сопротивление двух емкостей, тем самым дважды уменьшая напряжение помехи. Ток помехи уменьшается за счет большого сопротивления индуктивности, включенной последовательно с нагрузкой.

Правильный выбор фильтров зависит от ряда особенностей: схемы самого фильтра и электропитания ЦТС.

Так, при большом внутренним индуктивном сопротивлении ЭДС помехи и малом индуктивном сопротивлении эквивалентной нагрузки нужно использовать Г-образный фильтр с емкостью на входе. При этом падение напряжения от тока помехи на внутренним сопротивлении ЭДС помехи будет большим, а на входной емкости фильтра – малым. Ток помехи уменьшается далее за счет большого сопротивления индуктивности фильтра.

При малом индуктивном внутреннем сопротивлении ЭДС помехи наиболее эффективен Г-образный фильтр с индуктивностью на входе. Здесь малое сопротивление емкости, подключенной к выходу фильтра, значительно снижает напряжение импульсной помехи на выходе фильтра.

При малом емкостном внутреннем сопротивлении эквивалентной ЭДС и малом емкостном эквивалентном сопротивлением нагрузки наиболее эффективен Т-образный фильтр, обеспечивающий два этапа снижения тока помехи.

При большом внутреннем индуктивном сопротивлении ЭДС помехи и большом эквивалентном индуктивном сопротивлении нагрузки наилучшим будет П-образный фильтр, который обеспечивает три этапа подавления импульсного тока помехи. Первый этап – закорачивание

импульса напряжения на емкости C1 , второй – уменьшение тока поме-

хи за счет большого сопротивления индуктивности, третий – уменьшение напряжения помехи за счет малого сопротивления емкости C2 .

Применяемые на практике фильтры помех имеют, как правило, многозвенную структуру, с помощью которой величина тока помехи, проникающей во внутренние цепи ЦТС, уменьшается до безопасного значения.

Фильтры помех устанавливаются во многих элементах сети и в конструкциях различных элементов ЦТС и имеют многоступенчатую структуру. Это самый массовый способ снижения уровня импульсных помех непосредственно на вводе электропитания в ЦТС, т. е. на самом нижнем уровне систем электроснабжения.

31

Степень подавления (ослабления) помех обычно оценивается в децибеллах (дБ):

Чем ближе в системах электроснабжения рассматриваемая точка находится к источникам электропитания, тем больше уровень импульсных помех, обусловленных рассмотренными выше причинами, и здесь фильтров помех становится недостаточно. Поэтому применяют более эффективный способ снижения уровня помех – использование устройств защиты от импульсных помех (УЗИП).

Наиболее мощным источником импульсных помех, поступающих из питающих сетей систем электроснабжения, являются грозовые разряды. Грозовые разряды – мощные импульсные перенапряжения, возникающие в результате прямого попадания молнии в сеть электропитания и в громоотвод, или импульс от разряда молнии на расстоянии до 1,5 км, приводящий к выходу из строя электрооборудования или сбою в работе аппаратуры. Прямое попадание характеризуется мгновенными импульсными токами до 100 кА с длительностью разряда до

1 мс.

При наличии системы громоотвода импульс разряда распределяется между громоотводом, сетью питания, линиями связи и бытовыми коммуникациями. Характер распределения во многом зависит от конструкции здания, прокладки линий и коммуникаций (рис. 3.6).

Переключения в энергосети вызывают серию импульсных перенапряжений различной мощности, сопровождающихся радиочастотными помехами широкого спектра. Рассмотрим природу возникновения помех. Например, при отключении разделительного трансформатора

мощностью 1 кВ А 380/220 В от сети вся запасенная трансформатором энергия «выбрасывается» в нагрузку в виде высоковольтного импульса напряжением до 2 кВ.

Мощности трансформаторов в энергосети значительно больше, мощнее и выбросы. Кроме того, переключения сопровождаются возникновением дуги, становящейся источником радиочастотных помех.

Электростатический заряд, который накапливается при работе технологического оборудования, интересен тем, что хотя и имеет небольшую энергию, но разряжается в непредсказуемом месте.

32

элементов для создания УЗИП используются в виде отдельных компонентов разрядники различных типов, оксидно-цинковые варисторы и TVS-диоды. Для более эффективной защиты от импульсных перенапряжений эти тщательно скоординированные между собой компоненты могут размещаться в одном защитном модуле.

Для защиты от перенапряжений используют: угольный разрядник; газонаполненный разрядник; варистор; TVS-диод.

Современная классификация защитных устройств строится в соответствии с зоновой концепцией молниезащиты (IEC-1024-1, IEC-1312-1). Основные классы защитных устройств приведены в IEC 1643-1 (37A/44/CDV: 1996-03) «Устройства защиты от волн перенапряжения для низковольтных систем распределения электроэнергии. Эксплуатационные требования и методы испытания». В зависимости от места установки и способности пропускать через себя различные импульсные токи устройства защиты от перенапряжений подразделяются на следующие классы: I, II, III, IV (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Основные характеристики УЗИП

34

Основные характеристики УЗИП

1. Номинальный разрядный ток In . Пиковое значение тока, проте-

кающего через УЗИП, с формой волны 8/20 мкс, которое УЗИП может выдержать многократно и не выйти из строя.

2. Импульсный ток Iимп определяется пиковым значением тока Iпик и зарядом Q. Применяют при классификации УЗИП для испыта-

ний класса I волной 10/350 мкс.

3. Максимальный разрядный ток Imах для испытаний класса II.

Пиковое значение тока, протекающего через УЗИП, имеющего форму волны 8/20, которое УЗИП может пропустить один раз и не выйти из строя.

4. Максимальное длительное рабочее напряжение U p max . Макси-

мальное напряжение действующего значения переменного или постоянного тока, которое длительно подается на выводы УЗИП. Оно равно номинальному напряжению.

5. Собственная потребляемая мощность Рс . Мощность, потребля-

емая УЗИП при подаче максимального длительного рабочего напряжения (U p max ) и сбалансированных напряжениях и фазных углах в

отсутствие нагрузки. УЗИП подсоединен согласно инструкциям изготовителя.

6. Сопровождающий ток I f . (Параметр для УЗИП на базе разряд-

ников.) Это ток, который протекает через разрядник после окончания импульса перенапряжения и поддерживается самим источником тока, т. е. электроэнергетической системой. Фактически значение этого тока стремится к расчетному току короткого замыкания (в точке установки разрядника для данной конкретной электроустановки). Поэтому для установки в цепи «L-N; L-PE» нельзя применять газонаполненные (и

другие) разрядники со значением I f , равным 100…400 А. В результа-

те длительного воздействия сопровождающего тока они будут повреждены и могут вызвать пожар! Для установки в данную цепь необхо-

димо применять разрядники со значением I f , превышающим расчетный ток короткого замыкания, т. е. желательно величиной от 2 до 3 кА

ивыше!

7.Номинальный ток нагрузки Iном . Номинальный переменный

(действующее значение) или постоянный ток, который может подаваться к нагрузке, защищаемой УЗИП.

35

8. Уровень защиты Uрз . Это максимальное значение падения

напряжения на УЗИП при протекании через него импульсного тока разряда. Параметр характеризует способность устройства ограничивать появляющиеся на его клеммах перенапряжения. Обычно определяется при протекании номинального импульсного разрядного

тока (In ) .

9. Время срабатывания. Для оксидно-цинковых варисторов его значение обычно не превышает 25 нc. Для разрядников разной конструкции время срабатывания может находиться в пределах от 100 нс до нескольких микросекунд.

Выбор УЗИП. Наиболее часто возникающий вопрос при применении УЗИП: по каким критериям выбирать тот или иной тип УЗИП, какие параметры УЗИП играют главную роль, а какие второстепенные? Ниже дана методика выбора УЗИП на примере сетей TN-C, TN-S, TN-C-S.

1. Оценить максимальный ток молнии Imax в данной местности.

Он должен быть больше ожидаемого тока молнии, который может пойти по защищаемой цепи.

2. Определить номинальное напряжение сети в месте включения УЗИП. Максимальное длительное рабочее напряжение Up max должно

быть больше Un .

3.Определить наиболее вероятный характер формы волны импульса перенапряжения в месте включения УЗИП. Если на объекте есть система внешней молниезащиты и/или присутствует воздушный ввод электропитания, в которые возможен прямой удар молнии (ПУМ), то на вводе в объект необходимо ставить УЗИП класса I. Если на объекте вероятность ПУМ крайне мала, допускается ставить на вводе в здание УЗИП класса II. УЗИП класса III ставятся непосредственно перед одиночными потребителями как дополнительная защита в случае их значительного удаления от ВРУ или ГРЩ, где стоят УЗИП классов I и II.

4.Определить необходимый уровень защиты УЗИП в соответствии

смаксимально выдерживаемым импульсным перенапряжением присвоенной данному участку защищаемой сети. Уровень напряжения за-

щиты Uрз должен быть меньше максимального выдерживаемого им-

пульсного перенапряжения, допустимого для подключенного оборудования.

36

5. Определить, между какими проводниками сети будет устанавливаться УЗИП. От этого зависит выбор УЗИП по типу нелинейного элемента. Например, между фазой и землей в системах питания TN-C, TN- S, TN-C-S предпочтительнее включать варисторные УЗИП, а между нейтралью и землей – УЗИП на разрядниках (газовых, угольных и т. п.). Объясняется это тем, что при прохождении импульса перенапряжения разрядник открывается и через него начинает течь ток импульса и ток короткого замыкания сети, если разрядник включен, например, между фазой и землей в системе TN-C. Одним из свойств разрядника является то, что он не может закрыться до тех пор, пока с него полностью не снимут напряжение питания, что в данном примере невозможно. После прохождения импульса перенапряжения на электродах открытого разрядника останется номинальное напряжение сети, которое будет поддерживать ток короткого замыкания через разрядник. УЗИП рассчитаны на поглощение токов большой величины в течение небольшого времени (десятки, сотни микросекунд). Длительный ток короткого замыкания приведет к перегреву разрядника и выходу его из строя, разрядник сгорит, что может вызвать пожар. Варисторы в отличие от разрядников при снижении перенапряжения до уровня мак-

симального длительного рабочего напряжения Up max (большего, чем

номинальное рабочее напряжение сети в данном месте) закрываются и не нарушают нормальной работы сети. Включение разрядников между нейтралью и землей в случае системы TN-S оправдывается тем, что они обеспечивают гальваническую развязку между ними и срабатывают только в случае перенапряжения. Поэтому если УЗИП на основе разрядника ставится в месте, где возможно возникновение тока короткого замыкания, необходимо применять защиту УЗИП, например в виде плавкой вставки, включаемой последовательно УЗИП. Сам УЗИП

должен иметь значение сопровождающего тока I f большее, чем рас-

четный ток короткого замыкания в данном месте сети. Номинал и тип плавкой вставки должны выбираться в соответствии с рекомендациями производителя УЗИП.

Отличительной особенностью современных варисторных УЗИП является то, что при способности поглощать большие импульсные токи с формой волны как 10/350 мкс, так и 8/20 мкс они обеспечивают защиту на уровне категории I электробезопасности (напряжение защи-

ты Uрз меньше 1,5 кВ). При установке на вводе здания варисторного УЗИП класса I после него можно сразу подключать бытовое электро-

37

оборудование или ЦТС. Дополнительные УЗИП могут потребоваться в случае значительного удаления потребителя от ВРУ, когда на длинных соединительных проводах может возникнуть наведенный импульс перенапряжения, или в случае необходимости защиты особо ценного оборудования. В этом случае непосредственно перед защищаемым оборудованием ставится УЗИП класса III, а в местном распределительном щите (например, этажном, значительно удаленном от ВРУ или ГРЩ) УЗИП класса II.

Пример УЗИП: EZ B 75. Серия EZ B 75/*, разработана для защиты от прямых и косвенных грозовых перенапряжений в зонах молниезащиты 0а-1 согласно стандарту IEC 62305. Состоит из трех двойных, соединенных параллельно, высококачественных варисторных блоков

(рис. 3.9 и 3.10).

Рис. 3.9. Схемы установки УЗИП

Обзор рынка УЗИП. В настоящее время на отечественном рынке целый ряд компаний-поставщиков предлагает широкий ассортимент устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). В большинстве случаев это фирмы, которые продают изделия, выпускаемые в Западной Европе, или иностранные поставщики разнообразных технологических комплексов «под ключ».

В результате изделия разных производителей при установке на одном и том же объекте комбинируются между собой без какой-либо предварительной проверки их взаимной совместимости по амплитудам пропускаемых импульсных токов и уровням остающихся напряжений (уровням защиты).

38

дятся такие устройства на том же оборудовании, что и варисторы для высоковольтных ОПН, и по своей сути являются составными элементами такого высоковольтного ограничителя перенапряжений.

Существуют УЗИП, предназначенные для установки на DIN-рейку 35 мм, но и они, и описанные выше конструкции не имеют в своем составе устройства теплового отключения, предназначенного для защиты неисправного варистора от перегрева и соответственно от вероятности возникновения пожара в электроустановке.

Необходимо добавить, что большая часть отечественных УЗИП для низковольтных распределительных сетей относится всего лишь к классу III защиты согласно ГОСТ Р 51992. Эти устройства способны без разрушения или теплового пробоя кристалла варистора пропустить

через себя максимальный импульсный ток Imax (волны 8/20 мкс) с ам-

плитудным значением не более 10…15 кА, в то время как форма импульса тока при прямом ударе молнии Iимп описывается волной

10/350 мкс и значительно большими амплитудами тока (100, 150 и 200 кА (10/350 мкс) в зависимости от выбранного уровня надежности внешней системы молниезащиты).

Таким образом, даже при условии, что на долю ввода электропитания придется лишь часть тока, вызванного прямым ударом молнии, например 10…20 %, с учетом его растекания по другим метал-

локонструкциям объекта, а амплитудное значение тока Iимп (волны 10/350 мкс) может и не превысить значения Imax (волны 8/20 мкс),

равного 15 кА (при этом за счет большей почти на порядок длительности импульса тока Iимп ), выделенная на кристалле варистора тепловая

энергия выведет его из строя!

Этот процесс иногда сопровождается взрывным разрушением кристалла варистора, что может стать причиной серьезных травм, повреждения изоляции проводников в электроустановке, а также за счет интенсивного искрения – привести к возникновению пожара. При этом задача защиты потребителей электроэнергии может остаться нерешенной, так как часть импульса тока после выхода УЗИП из строя беспрепятственно пройдет в защищаемое оборудование и неизбежно повредит его.

40