Номера

2016

2015

2014

2013

2012

2011

2010

2009

2008

2007

2006

О журнале

Сотрудничество

Рекламодателю

Подписка

Главная / №6 Декабрь 2006 / Статьи и обзоры оборудования

Защита электроустановок от импульсных грозовых и коммутационных перенапряжений

Установка устройств защиты от перенапряжений на различных объектах

(Продолжение. Начало в № 5 | Ноябрь 2006).

Для того, чтобы надежно защитить любой объект от воздействия любого вида перенапряжений, в первую очередь необходимо создать эффективную систему заземления и уравнивания потенциалов. При этом желателен переход на системы электропитания TN-S или TN-C-S с разделенными нулевым и защитным проводниками. Этот переход важен не только с точки зрения защиты от импульсных перенапряжений, но и для повышения уровня электробезопасности обслуживающего персонала. Следующим шагом должна стать установка защитных устройств.

Основные принципы применения устройств защиты от импульсных перенапряжений в отечественной нормативной базе рассмотрены в ГОСТ Р 50571.26-2002 (МЭК 60364-5-534-97) «Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Раздел 534. Устройства для защиты от импульсных перенапряжений». Это фактически первый стандарт МЭК по применению УЗИП, переведенный на русский язык и изданный в системе ГОСТ  Р.

МЭК в своих других стандартах более глубоко рассматривает проблему защиты от импульсных перенапряжений. Как уже говорилось выше, некоторые из них также готовятся к изданию в системе ГОСТ  Р. Предлагаемые ниже решения основаны именно на требованиях этих стандартов.

Существуют две основных схемы включения защитных устройств в электропитающую линию (см. рисунок 6).

Схема (а) предназначена, в первую очередь, для защиты от синфазных (продольных) перенапряжений (провод-земля), схема (б), соответственно, от противофазных (поперечных) перенапряжений (провод-провод). Полученные в целой серии экспериментов данные, а также результаты статистических исследований, проводимых фирмами — производителями защитных устройств, показали, что более высокую опасность для защищаемого оборудования представляют собой противофазные (поперечные) перенапряжения (на клеммах электроприемников L/N), по сравнению с продольными перенапряжениями (на клеммах электроприемников L/PE и N/PE). При проектировании различных ступеней защиты возможно комбинирование этих схем.

Схема подключения защитных устройств для сети типа TN-S приведена на рисунке 7. УЗИП I, II и III классов включаются между фазными проводниками (L1, L2, L3) и нулевым рабочим проводником (N) для ограничения противофазных перенапряжений (провод-провод). Для ограничения синфазных перенапряжений (провод-земля) в каждой ступени защиты между проводниками N и PE устанавливается разрядник соответствующего класса защиты.

Одним из преимуществ данной схемы является то, что разрядники в цепи N-PE позволяют обеспечить гальваническую развязку этих проводников, а следовательно, и лучшую помехозащищенность оборудования связи или обработки информации. Известно, что нулевой рабочий проводник практически всегда находится под каким-то потенциалом (от единиц до десятков вольт), зависящим от симметричности распределения нагрузки по фазам. Также при работе импульсных нагрузок (например, импульсных выпрямителей с преобразованием частоты) в нулевом рабочем проводнике появляются высшие гармоники рабочей частоты сети 50 Гц. Все эти помехи могут приводить к ошибкам и сбоям в работе сверхчувствительных нагрузок через цепи заземления и уравнивания потенциалов, т.е. через PE-проводники. Применение системы электропитания типа TN-S с разрядниками в цепи N-PE позволяет свести эти влияния к минимуму.

В некоторых случаях возможно также применение устройств защиты в соответствии со схемой, приведенной на рисунке 8.

В данном случае УЗИП классов I и II включаются между токоведущими проводниками (L1, L2, L3, N) и нулевым защитным проводником (PE) для ограничения синфазных перенапряжений (провод-земля). УЗИП класса III включаются в соответствии с предыдущей схемой для ограничения противофазных перенапряжений (провод-провод) непосредственно около защищаемого оборудования.

Выполнение требований к очередности срабатывания защитных устройств

При установке защитных устройств необходимо, чтобы расстояние между соседними ступенями защиты было не менее 10 метров по кабелю электропитания. Выполнение этого требования очень важно для правильной работы (координации срабатывания) защитных устройств. В момент возникновения в силовом кабеле импульсного грозового перенапряжения с очень крутым фронтом, 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). Такие же требования предъявляются при подключении третьей ступени защиты.

В случае необходимости размещения УЗИП на более близком расстоянии или рядом необходимо использовать «искусственную линию задержки» в виде импульсного разделительного дросселя с индуктивностью не менее 6-15 мкГн. Выбор величины индуктивности зависит от того, каким образом осуществляется ввод электропитания в объект. При подземном вводе (когда в первом каскаде защиты установлены варисторы) величина индуктивности может быть взята меньшей (порядка 6 мкГн), при воздушном вводе (в первой ступени установлены разрядники) это значение должно быть не менее 12-15 мкГн. (см. рисунок 9). Это объясняется разным временем срабатывания разрядников и варисторов.

При установке дросселей необходимо учитывать, что рабочие токи нагрузки в фазных проводниках не должны превышать предельно допустимые значения, указанные в техническом паспорте на данные устройства. При необходимости и для удобства монтажа и обслуживания устройства защиты могут размещаться в отдельном щитке. Причем в одном щитке могут быть установлены ограничители перенапряжения всех трех классов. Это становится возможным в случае установки между ними разделительных дросселей. Пример схемы подключения к электроустановке защитного щитка с двумя ступенями защиты приведен на рисунке 10. К нагрузочной стороне вводного автомата подключается вход щитка, к силовой стороне групповых автоматов — выход щитка. Заземление щитка должно осуществляться на главную заземляющую шину объекта или РЕ-шину вводного щита (ГРЩ). Основные требования по монтажу и подключению главной заземляющей шины (ГЗШ) изложены в главе 1.7 ПУЭ (7-е издание), а также в Техническом циркуляре ассоциации «РОСЭЛЕКТРОМОНТАЖ» № 6/2004 от 16.02.2004 «О выполнении основной системы уравнивания потенциалов на вводе в здание».

При монтаже устройств защиты от импульсных перенапряжений необходимо учитывать то, что расстояния между главной заземляющей шиной, щитком защитным и вводным щитом объекта должны быть минимальные. РЕ проводники должны прокладываться возможно кратчайшими путями. При подключении силовых кабелей к щитку необходимо избегать совместной прокладки защищенного и незащищенного участков кабеля, а также защищенного кабеля и кабеля заземления.

Правильные и неправильные варианты прокладки проводников различного назначения приведены на рисунке 11.

Выше были рассмотрены схемы включения устройств защиты от импульсных перенапряжений в электропитающие сети типа TN-S. Существующие на практике объекты чаще всего имеют вводы электропитания, выполненные по схеме TN-C (четырехпроводная схема электропитания с глухозаземленной нейтралью трансформатора на подстанции). На объектах, которые подвергались реконструкции или модернизации, как правило, схема электропитания соответствует типу TN-C-S. То есть внутренняя часть объекта выполняется по схеме TN-S (пятипроводной), внешняя соответственно по типу TN-C (четырехпроводной). На рисунке 12 приведен пример установки защитных устройств для TN-C-S сети электропитания радиообъекта контейнерного типа.

Из схемы на рисунке 12 видно, что первая ступень защиты на разрядниках I класса размещена во вводном щите. Учитывая, что ввод электропитания выполнен четырехпроводным, в этой ступени защиты разрядник между проводниками N-PE не устанавливается. Далее, после точки разделения PEN проводника на N и PE проводники в удалении от этой точки по кабелю на расстояние более 5 м, т.е. там, где будет находиться вторая ступень защиты, разрядник в цепи N-PE уже должен быть установлен. Объяснение этому очень простое: при удалении двух точек на расстояние порядка 10 м между ними уже может появиться достаточно большая разница потенциалов за счет индуктивного сопротивления соединяющего их проводника при воздействии на объект высокочастотных грозовых токов.

Вторая ступень для данного объекта (как вариант) может быть размещена в стойке выпрямителя на DIN-рейке панели ввода. Но наиболее правильным решением было бы размещение защитных устройств II класса либо в отдельном защитном щитке рядом с выпрямителем, либо непосредственно в том же вводном щитке (см. рис. 13).

В обоих случаях между ступенями защиты должны быть установлены разделительные дроссели, так как габариты контейнерного объекта в большинстве случаев не позволяют обеспечить выполнение требований по их размещению на расстоянии более 10 м. 

Очень часто возникает ситуация, когда сложная электронная аппаратура (оборудование связи или обработки информации) при подключении ее к защитному заземляющему устройству объекта отказывается работать из-за наличия некоторого (отличающегося от нулевого) потенциала или больших помех на элементах системы заземления. Обычно в подобных случаях используется специальное дополнительное заземляющее устройство, электрически не связанное с защитным заземлением (так называемое функциональное заземление). При этом сразу же встает вопрос защиты оборудования, подключенного к такому заземляющему устройству, от перенапряжений, возникающих, например, при ударе молнии в систему молниезащиты здания.

Для уравнивания очень большой разности потенциалов, возникающей в этом случае, между двумя независимыми заземляющими устройствами (защитным и функциональным) может устанавливаться специальный потенциаловы-равнивающий разрядник, который в исходном состоянии обеспечивает гальваническую развязку между этими заземляющими устройствами, а при возникновении перенапряжений кратковременно соединяет их, уравнивая потенциалы (см. рисунок 14).

В качестве примера можно привести разрядник HGS100-500 фирмы «Hakel». Внешний вид разрядника показан на рисунке 15. 

Основные характеристики разрядника HGS100-500 приведены в таблице 2. 

Таблица 2
Тип устройства HGS 100-500
Постоянное напряжение пробоя 400…750 V
Переменное напряжение пробоя (50 Гц) > 500 V
Импульсное напряжение пробоя < 1500 V
Импульсный ток Iimp (10/350 мкс) 150 кА
Максимальный импульсный разрядный ток (8/20 мкс) 100 кА
Номинальный импульсный разрядный ток (8/20 мкс) 75 кА
Сопротивление изоляции > 1 ГОм
Рабочий диапазон температур -40° до +90°С
Емкость на частоте 1 МГц 5 pF
Код 100 05

Дополнительная защита от короткого замыкания

Основным принципом приведенных выше схем включения защитных устройств является уравнивание потенциалов между двумя проводниками, одним из которых, как правило, является фазный проводник, а другим нулевой рабочий или нулевой защитный проводник. При этом в случае выхода из строя УЗИП возможно возникновение режима короткого замыкания между данными проводниками, что может привести к выходу из строя электроустановки и даже возникновению пожара. Имеющееся в варисторных ограничителях устройство отключения при перегреве варистора (тепловая защита), как правило, срабатывает при старении варистора, когда увеличиваются токи утечки, или при превышении фактического тока разряда через ограничитель над максимально допустимым. Учитывая кратковременность последнего воздействия, варистор может даже не выйти из строя, но при этом все равно будет отключен от защищаемой цепи в результате выделения большого количества тепловой энергии. В некоторых случаях устройство можно даже восстановить с использованием старого варистора.

Несколько другая ситуация возникает в случае установившегося превышения действующего напряжения в сети над максимальным допустимым рабочим напряжением, определенным ТУ для данного УЗИП. Примером такой ситуации может быть отгорание нулевого рабочего проводника при вводе в электроустановку. Как известно, в этом случае к нагрузке может оказаться приложенным межфазное напряжение 380 В. При этом варистор открывается и через него длительное время протекает ток. Величина этого тока близка к току короткого замыкания и может достигать нескольких сотен ампер. Из практики известно, что устройство тепловой защиты не всегда срабатывает в подобных ситуациях. Также надо отметить, что УЗИП на базе разрядников не имеют в своем составе устройства теплового отключения.

В результате описанного воздействия защитное устройство, как правило, разрушается от воздействия большого количества тепловой энергии. Возможно даже возникновение дуги и замыкание клемм устройства на корпус шкафа или DIN-рейку при расплавлении пластмассы корпуса. Поэтому для защиты электроустановки и УЗИП всех типов от режимов короткого замыкания необходимо предусматривать дополнительную защиту в виде предохранителей F5-F10 с характеристикой срабатывания gG или gL (классификация согласно требованиям стандартов ГОСТ Р 50339.0-92 (МЭК 60269-1-86) или VDE 0636 (Германия) соответственно), устанавливаемых в цепь последовательно с каждым УЗИП (см. рисунки 7-10). Данные предохранители предназначены для защиты токоведущих проводников и коммутационных устройств от перегрузок и коротких замыканий и имеют довольно сложную внутреннюю конструкцию.

Особо следует отметить, что применение защитных автоматов в данной ситуации может не обеспечить необходимый результат. Имеющийся опыт эксплуатации показывает, что сами автоматические выключатели могут быть повреждены импульсом тока при грозовом разряде. При этом может произойти приваривание контактов расцепителя друг к другу и появляется вероятность несрабатывания автомата при коротком замыкании в нагрузке. Предохранитель полностью исключает подобную ситуацию. К тому же, при правильном выборе номинала практически исключается вероятность перегорания предохранителя при прохождении через защитное устройство импульсного тока при ударе молнии.

Необходимо также понимать, что при отказе от установки предохранителей, в случае возникновения короткого замыкания хотя бы в одном из ограничителей перенапряжения, произойдет срабатывание вводного автомата, и электропитание потребителя будет прервано до устранения неисправности. Применение предохранителей в цепи каждого ограничителя перенапряжений значительно уменьшает вероятность такой ситуации. При выборе номиналов предохранителей следует руководствоваться рекомендациями производителя устройств защиты от перенапряжений. Номиналы общих и индивидуальных предохранителей определяются с учетом селективности их срабатывания, а также с учетом способности защитных устройств выдерживать расчетные токи короткого замыкания для конкретной электроустановки (вопросы, связанные с методикой выбора номиналов предохранителей и возможностью применения автоматических выключателей сейчас подробно изучаются).

Выбор типа защитных устройств

  1. В качестве первой ступени защиты рекомендуется устанавливать:
  • при воздушном вводе электропитания, вне зависимости от наличия внешней системы молниезащиты (СМЗ), когда возможно прямое попадание молнии в провода линии электропередачи в непосредственной близости от объекта — грозовые разрядники, способные пропускать через себя импульсные токи формы 10/350 мкс с амплитудным значением 50-100 кА и гасить сопровождающие токи величиной более 4 кА, а также обеспечивать уровень защиты (Up) менее 4 кВ (например, многозазорные угольные искровые разрядники без выброса ионизированных газов типа HS55 производства фирмы «Hakel»);
  • при подземном вводе электропитания и при наличии внешней системы молниезащиты, когда существует вероятность попадания молнии в молниеприемник СМЗ, можно установить варисторные защитные устройства, способные пропускать через себя импульсные токи формы 10/350 мкс с амплитудным значением 10-25 кА и также обеспечивать уровень защиты Up = 4 кВ и ниже (например, устройства серии SPC1.1; SPC3.1 или PIV-230). При этом желательно произвести предварительную оценку токов растекания по приведенной выше методике;
  • при отсутствии внешней системы молниезащиты — рекомендуется ее установить, так как прямой удар молнии в этом случае, как правило, приводит к динамическим воздействиям на строительные конструкции объекта, а также может вызвать пожар за счет искрения и перекрытия воздушных промежутков между токопроводящими элементами объекта.
  1. В качестве второй ступени защиты в цепях L-N используются устройства на базе варисторов с максимальным импульсным током 20-40 кА формы 8/20 мкс и уровнем защиты (Up) менее 2,5 кВ (устройства серии PIII-230, PIIIМ-230, PIII-280, PIIIМ-280 или различные модели из серии SPU1, SPU3). В цепях N-PE применяются газонаполненные металлокерамические разрядники, способные выдерживать импульсные токи с амплитудой 20-40 кА формы 8/20 мкс. Сопровождающие токи в цепях N-PE не возникают, поэтому в данном случае могут применяться разрядники с If, равным 100-300 А (разрядники В20С).
  2. В качестве третьей ступени защиты используются модули с максимальным импульсным током 6-10 кА формы 8/20 мкс и уровнем защиты (Up) менее 1,5 кВ. Могут применяться комбинированные устройства, включающие в себя дополнительно помехозаградительный фильтр на полосу частот в диапазоне 0,15-30 МГц (устройства серии PI-k8, PI-k32, PI-3k80 и др.).
  3. Разделительные дроссели (при необходимости их применения) выбираются, исходя из величины максимальных рабочих токов нагрузки, например: 16, 32, 63 или 120 А (PI-L16/15, PI-L32/15, PI-L63/15).

Основные характеристики некоторых из перечисленных выше устройств приведены в таблице 3.

Таблица 3
Название устройства Класс Uc(В) Iimp(кА) при (10/350 мкс) Isn (кА) при (8/20 мкс) Imax(кА) при(8/20 мкс) Up(кВ) Тип устройства
HAKELZIL HZ 110 I 275 110 кА < 4 кВ Разрядник
HAKELSTORM HS55 I 275 55 кА < 4 кВ Разрядник
PIV 230 I 275 10 кА 100 кА < 2 кВ при Imax = 40 кА Варистор
SPC3.1 150kA I — II 3×480/320 20 кА 80 кА 150 кА L/N < 1,7 кВ Варистор
PIII 230 II 275 20 кА 40 кА < 1,3 кВ при Iп = 20 кА Варистор
PI-k8 III 275

8 кА

10 кА

L/N < 0,84 кВ

N/PE < 0,5 кВ

Комбинированное + фильтр

Как указывалось выше, для объектов с подземным вводом электрического питания возможно применение комбинированных устройств SPC3.1, отвечающих по своим входным параметрам требованиям к варисторным защитным устройствам первого класса (импульс тока величиной 10-25 кА; форма 10/350 мкс). По своим выходным параметрам (уровень защиты (Up) 1300-1700 В при номинальном импульсном токе, форма 8/20 мкс) они выполняют требования ко второму классу защиты. Применение подобных устройств позволяет отказаться от использования разделительных дросселей, так как все устройство смонтировано в одном общем корпусе для установки на DIN-рейку. Размер корпуса при этом меняется в зависимости от количества защищаемых проводников и соответствует размеру от 2-х до 7-и стандартных типовых корпусов (для однофазной и трехфазной сети соответственно).

Однако, в случае установки подобного устройства на воздушном вводе электропитания, существует вероятность его выхода из строя при ударе молнии непосредственно в провода ЛЭП возле объекта.

В некоторых ситуациях установки защиты только на вводе здания не достаточно для того, чтобы с большой степенью вероятности защитить такую категорию потребителей электроэнергии, как высокочувствительная электронная техника. Защитные устройства III класса в этом случае устанавливаются непосредственно возле защищаемого оборудования (на вводе в квартиру, офис).

При использовании устройств защиты от импульсных перенапряжений необходимо учитывать некоторые особенности их подключения в схему электроустановки объекта:

  • В случае применения устройств защитного отключения (УЗО) устройства защиты от импульсных перенапряжений первого и второго класса должны быть включены до УЗО (по ходу энергии). Таким образом, их срабатывание не вызовет ложного отключения УЗО.
  • Устройства защиты третьего класса могут быть установлены после УЗО (по ходу энергии), но при этом должны использоваться УЗО типа «S» (селективные) с временной задержкой срабатывания от импульсных помех (cм. рисунок 16).
  • При измерениях, производимых на электроустановке, когда методикой измерений предусматриваются испытания высокими напряжениями (например, проверка сопротивления изоляции проводов), необходимо отключать защитные устройства от электроустановки. Несоблюдение этого правила приведет к искажению результатов измерения или в худшем случае к выходу из строя устройств защиты от импульсных перенапряжений.

Литература:

— IEC-62305 «Защита от удара молнии» Части 1-5.

— IEC-61643-12 (2002): «Устройства защиты от перенапряжений для низковольтных систем распределения электроэнергии. Часть 12. Выбор и принципы применения».

— ГОСТ Р 50571.19-2000 «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 443. Защита электроустановок от грозовых и коммутационных перенапряжений».

— ГОСТ Р 50571.20-2000 «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 444. Защита электроустановок от перенапряжений, вызванных электромагнитными воздействиями».

— ГОСТ Р 50571.21-2000 «Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж оборудования. Раздел 548. Заземляющие устройства и системы уравнивания электрических потенциалов в электроустановках, содержащих оборудование обработки информации».

— ГОСТ Р 50571.22-2000 «Электроустановки зданий. Часть 7. Требования к специальным электроустановкам. Раздел 707. Заземление оборудования обработки информации».

— ГОСТ Р 50571.26-2002 «Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Раздел 534. Устройства для защиты от импульсных перенапряжений».

— ГОСТ Р 51732-2001 «Устройства вводнораспределительные для жилых и общественных зданий. Общие технические условия».

— ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98) «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Часть 1. Требования к работоспособности и методы испытаний».

— ГОСТ Р 50339.0 (МЭК 60269-1-86) «Низковольтные плавкие предохранители. Общие требования».

— ПУЭ (7-е издание).

— СО-153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».

— СП 31-110-2003 «Проектирование и монтаж электроустановок жилых и общественных зданий».

— Европейский Телекоммуникационный Стандарт ETSI EN 300253 V2.1.0 (2001-12). «Инжиниринг оборудования. Заземление и выравнивание потенциалов оборудования на объектах связи».

— Рекомендации Международного Союза Электросвязи ITU-T К.27 (с учетом изменений, 1991 г.). «Защита от помех. Потенциаловыравнивающие соединения и заземление в здании объекта электросвязи».

— РД 45.155-2000. «Заземление и выравнивание потенциалов аппаратуры ВОЛП на объектах проводной связи».

А. Л. ЗОРИЧЕВ,
заместитель директора
ЗАО «Хакель Рос».