Установка узип — схемы подключения, правила монтажа. Защита оборудования от импульсных перенапряжений и коммутационных помех

С каждым годом совершенствуется конструкция и технические параметры УЗИП , что приводит к снижению времени сервисного обслуживания и контроля этих устройств, а также к повышению их надежности. Однако нельзя полностью исключить повреждение и поломку этих устройств. Например, при сильной грозовой активности может произойти неоднократное попадание прямых ударов молний в защищаемый энергообъект (электрическую подстанцию) или на территорию вблизи него в течение одной грозы.

Применение УЗИП

Также следует учитывать то обстоятельство, что УЗИП, которые используются в слаботочных электросетях и в информационных сетях, с течением времени подвергаются старению, что означает постепенную потерю способностей по эффективному ограничению импульсных перенапряжений искусственного и естественного характера.

Процесс старения особенно быстро протекает при частых грозовых ударах значительной мощности, повторяющихся вна протяжении секунд или минут. При этом достигаются максимальные амплитуды импульсных токов, которые допустимы для УЗИП (Imax = 8/20 мкс и Iimp = 10/350 мкс).

Повреждение защитных устройств происходит из-за перегрева корпусных деталей при протекании сильных разрядных токов значительной интенсивности. Характер повреждений защитных устройств зависит от типа УЗИП .

В газонаполненных разрядниках с металлокерамическими корпусами происходит утечка газов и последующее разрушением корпуса прибора.
В УЗИП варисторного типа в результате теплового пробоя изменяется структура кристалла вплоть до его полного разрушения.
Защитные устройства, основанные на использовании открытых искровых промежутков, могут вызвать выброс перегретых газов и повреждение элементов элекрического шкафа.

В отдельных случаях отмечалась сильная деформация металлических частей распределительного шкафа, что можно сравнить с разрушениями от взрыва боевой гранаты. Поэтому при эксплуатации подобных УЗИП в электрических распределительных щитах требуется неукоснительное соблюдение мер противопожарной безопасности. Исходя из вышеуказанных причин, предприятия-изготовители УЗИП настоятельно рекомендуют проводить своевременный контроль защитных устройств на предмет сохранения работоспособности, в том числе после прохождения сильного грозового фронта. Для проверки устройств используются специальные тестеры, приспособленные для контроля и обслуживания защитных устройств от импульсного перенапряжения .

Визуальный осмотр или применение универсальной измерительной аппаратуры являются недостаточно эффективными мероприятиями для обнаружения многих неисправностей, так как:

Газонаполненный разрядник с металлокерамическим корпусом требует не только внешнего осмотра, но разборки корпуса для определения состояния внутренних частей. Но даже такая поверка не позволяет обнаружить потерю газового разряда. Поэтому для корректного контроля напряжения зажигания газонаполненного (грозового) разрядника следует использовать специальный тестер.
Варистор может иметь повреждения при отсутствии сигналов о выходе из строя устройства. При некорректной вольтамперной характеристике наблюдается утечка токов до 1 мА, что не всегда можно зафиксировать обычными тестерами. Для получения достоверных результатов производится измерение характеристики варистора как минимум в двух точках (при 0,010 мА и при 1 мА) с использованием источника тока с большим подъёмом напряжения (диапазон 1- 1,5 кВ).
Для проверки УЗИП с открытым искровым промежутком необходимо демонтировать данное устройство и провести контрольные измерения при помощи генератора импульсного тока с временем 10/350 мкс.

Современные устройства для защиты от импульсных перенапряжений работают на основе принципа выравнивания потенциалов между фазным (L) и рабочим (PEN или N) проводником. УЗИП всегда подключаются параллельно нагрузке. При выходе из строя защитного устройства (например, при пробое изоляции или при разрушении нелинейного элемента у газонаполненных разрядников и варисторов) или при потери работоспособности искровых разрядников (невозможность гашения импульсного тока) между проводниками возникает короткое замыкание, что чревато угрозой повреждения энергообъекта или возникновением пожара.

В действующих стандартах МЭК содержится два обязательных способа для защиты объектов с рабочим напряжением 220 и 380 В:

Защитные устройства теплового отключения (тепловая защита); используются в варисторах.
Быстродействующие предохранители для защиты всех типов УЗИП от токов короткого замыкания

В УЗИП варисторного типа предусмотрена тепловая защита, обеспечивающая работоспособность устройств при длительной эксплуатации. Однако, вследствие износа варистора, который связан с частыми воздействиями токов с большой амплитудой, происходит критическое разрушение P-N переходов в структуре защитного устройства. В результате снижается важнейший параметр варистора – максимальное допустимое рабочее напряжение Uc.

Данный параметр устанавливается в соответствии с фактическим напряжением в электрической сети и указывается предприятием-изготовителем варистора в его паспортных данных и на корпусе устройства. Например, на корпусе УЗИП варисторного типа указано значение наибольшего допустимого напряжения Uc = 300 В. Данное устройство будет нормально выполнять свои защитные фунции в сети с напряжением 220В даже при кратковременном увеличении напряжения до 300 В.

Достаточный запас по напряжению обеспечивает работоспособность варистора при скачках напряжения и позволяет эффективно рассеивать энергию при импульсных перенапряжениях. В процессе неизбежного «старения» защитного устройства реальное значение Uc заметно снижается и может оказаться ниже, чем номинальное напряжение в электрической сети объекта. В результате увеличения токов утечки через УЗИП, произойдёт перегрев и деформация корпуса защитного устройства, фазные клеммы могут проплавить пластиковый корпус и вызвать короткое замыкание на металлический профиль для крепления модульного оборудования (DIN-рейка).

Учитывая вышеизложенное, для должной защиты энергообъектов рекомендуется использовать варисторы, снабженные терморазмыкателем (тепловая защита). Данные устройства отличаются особой надёжностью в работе и очень простой конструкцией: контакт с пружиной припаян к одному из выводов УЗИП, связанному с охранно-пожарной сигнализацией. Отдельные устройства имеют контакты для подключения автономной сигнализации, предназначенной для подачи сигнала при неисправностиУЗИП.

При неполадках или повреждениях защитного устройства на пульт диспетчера или на вход автоматической системы по обработке и передаче данных поступает соответствующая информация (Рис. 1).

При длительном превышении фактического напряжения в электрической сети над наибольшим предельно допустимым длительным рабочим напряжением УЗИП (Uc) часто возникает аварийная ситуация. Например, подобное может случиться при обрыве или обгорании нулевого провода при входе в трансформатор (3-хфазная сеть с глухозаземлённой нейтралью). В этом случае к нагрузке прикладывается линейное напряжение, равное 380 Вольт. Как и положено, защитное устройство сработает пропуская через себя ток, по величине равный току короткого замыкания, достигающего сотен ампер.

Вследствие инертности конструкции тепловая защита реагирует с небольшим запозданием, которого вполне достаточно для полного разрушения варистора и сохранения режима КЗ через образовавшуюся дугу. Из-за расплавления корпуса защитного устройства возможно замыкание клемм УЗИП на DIN-рейку или на металлические части электрического шкафа. Данная ситуация возможна не только при использовании УЗИП варисторного типа, но на защитных устройствах с газовыми разрядниками, у которых отсутствует тепловая защита.

На рис. 2 продемонстрирован реальный случай, произошедший на одной из подстанций. Выход из строя УЗИП варисторного типа привёл к возгоранию в главном распределительном щите.

На рис. 3 показаны остатки от варистора, ставшего причиной возгорания в ГРЩ.

Для исключения подобных ситуаций следует устанавливать последовательно вместе с УЗИП тепловые предохранители, обладающие характеристиками срабатывания gG по ГОСТ Р 50339.0-92 (МЭК 60269-1-86) или gL по стандартам VDE 0636 (Германия). Большинство изготовителей УЗИП в каталогах продукции приводят технические требования, включающие номинальные значения и тип характеристики срабатывания тепловых предохранителей, предназначенных для дополнительной защиты от токов КЗ. Для этих целей применяются предохранители типа gG или gL, защищающие проводку и распределительные устройства от импульсных перегрузок и коротких замыканий.

Данный тип тепловых предохранителей отличается повышенной стойкостью к значительным токам импульсного перенапряжения и крайне малым временем срабатывания (в 10...100 раз быстрее, чем аналогичные автоматические выключатели). В ходе экспериментальных испытаний установлены и практикой подтверждены случаи повреждения автоматических выключателей или подгорания (приваривания) контактов вследствие длительного или частого воздействия импульсных перенапряжений. В результате автоматический выключатель выходит из строя и не может выполнять защитные функции.

Различные варианты применения тепловых предохранителей имеют свои особенности, которые необходимо брать в расчёт ещё на стадии проектирования электрощитовой продукции и схем электроснабжения энергообъектов. Например, если для защиты от КЗ будут применяться только вводные предохранители (общая защита), то при первом коротком замыкании в УЗИП любой ступени, будет отключен от питания весь объект или его часть.

Использование тепловых предохранителей, установленных последовательно с основным защитным устройством, гарантирует исключение подобной ситуации. Но при этом возникает вопрос подбора правильных предохранителей, с учётом очередности срабатывания каждого из них. Для решения этой проблемы следует прислушаться к рекомендациям предприятий-изготовителей УЗИП и применять предохранители таких типов и номиналов, которые предназначены для эксплуатации с конкретным защитным устройством.

На рис.4 продемонстрированы схемы установки предохранителей F7...F12 в TN-S сеть 220/380 В.

При использовании в рассматриваемой схеме разрядников HS55 в I ступени защиты и УЗИП варисторного типа (PIII280) во II ступени защиты (Рис. 4) применение предохранителей F7 ...F9 и F10...F12 зависит от номинального значения предохранителей F1...F3:

При значении F1...F3 свыше 315 А gG, значения F7...F9 соответствуют 315 А gG и и F10...F12 – 160 А gG.
При значении F1 ...F3 от 160 до 315 А gG, можно обойтись без предохранителей F7...F9. Предохранители F10...F12 равны 160 А gG.
При значении F1...F3 до 160 А gG, предохранители F7...F12 не требуются.

В отдельных случаях требуется, чтобы при возникновении в УЗИП короткого замыкания не срабатывал общий предохранитель, устанавливаемый на вводе трансформатора. Для этого в цепи каждого защитного устройства устанавливаются предохранители, которые выбираются с коэффициентом 1,6. Например, если общий предохранитель имеет номинальное значение 250 А gG, то предохранитель установленный последовательно с УЗИП должен быть номиналом в 160 А gG.

Использование автоматических выключателей для этой цели нецелесообразно: прежде всего из-за увеличенного времени срабатывания и недостаточной стойкости к импульсным перенапряжениям значительной величины и продолжительности.

Отдельные предприятия-изготовители защитных устройств предлагают УЗИП I и II класса модульного исполнения.

Конструкция подобных устройств включает базу, устанавливаемую на металлическую DIN-рейку, и сменный модульный элемент, оснащённый варистором или газовым разрядником с ножевыми контактами. На первый взгляд, подобная конструкция УЗИП, по сравнению с монолитным корпусом, кажется более удобной в эксплуатации и выгодной по стоимости. Однако подобная конструкция имеет ограничения по импульсным токам: Imax равняется 25 kA (для волны 8/20 мкс) и Iimp составляет не более 20 kA (для волны 10/350 мкс). Несмотря на это обстоятельтво, ряд производителей УЗИП показывают в рекламных проспектах максимальные разрядные способности защитных устройств, доходящие Imax до 100 kA (с формой импульса 8/20 мкс) и Iimp до 25 kA (форма импульса 10/350 мкс).

Однако фактические результаты испытаний расходятся с заявлениеми производителей. При ударе испытательного импульсного тока с подобной амплитудой возникают разрушения и пережоги ножевых контактов у сменного модуля и отмечаются повреждения контактов клемм в базе. На рис.5 представлены доказательства разрушительного воздействия испытательного импульса тока Imax равного 50 kA (форма импульса 8/20 мкс) на механическую часть УЗИП модульной конструкции.

После подобных воздействий импульсного тока будет крайне сложно извлечь вставной элемент из базы, так как возможно приваривание контактов друг к другу. Если вставку удастся благополучно вытащить из базы, последняя придёт в негодность: обгоревшие контакты увеличат переходное сопротивление, что повлечёт изменение уровня защиты данного УЗИП.

Рис.5

Для исключения подобных последствий УЗИП с модульной конструкцией следует применять только в тех случаях, когда возможные импульсные перенапряжения гарантированно не превысят предельно допустимых значений. Для достижения этого необходим корректный выбор типов и классов защитных устройств для конкретного энергообъекта и согласование технических параметров УЗИП между всеми ступенями защиты.

Среди вторичных источников питания чаще всего применяется выпрямитель. Укоренившаяся практика установки защитных устройств (варисторов, разрядников и др.) внутри блоков выпрямителя или непосредственно на платах не обеспечивает должную защиту оборудования подстанции. Как правило, подобные варисторы по своим параметрам относятся к III классу защиты, в соответствии с положениями ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98).

Данные устройства рассчитаны на токи порядка 7...10 кА с формой импульса 8/20 мкС. На многих предприятиях эксплуатирующих энергообъекты, данный тип защитных устройств считается вполне приемлемым и поэтому не принимаются другие меры по дополнительной защите технологического оборудования подстанции.

При отсутствии дополнительных внешних УЗИП более высокого класса и в случае длительных превышений номинального напряжения питающей электрической сети возможны следующие типовые аварийные ситуации:

При срабатывания варистора будут возникать токи значительной силы, которые пройдут через печатные платы и провода напрямую к заземляющей клемме, расположенной на стойке. Это как правило приводит к разрушению печатных проводников на платах и к появлению вторичных токов на незащищенных цепях, что в свою очередь выведет из строя электронные компоненты выпрямительного устройства.
Если импульсные токи превысят максимальное допустимое значение, установленное изготовителем для данной модели варистора, возможно возгорание или разрушение защитного устройства, что является серьезной угрозой для самого выпрямителя.
Иная ситуация наблюдается ели при действующее напряжение в электрической сети длительно превышает свое значение над максимально допустимым рабочим напряжением, установленным техническими условиями для данного типа варистора. В результате воздействия импульсного перенапряжения возникает вероятность обгорания печатных плат и внутренних проводов. При взрыве варистора возможны значительные механические повреждения выпрямителя.

На рис.6 показаны примеры поврежденных плат

Для решения проблем перечисленных в пункте I, наиболее оптимальным является вариант установки УЗИП, при котором защитные устройства располагаются в отдельном щитке или размещаются в стандартных силовых шкафах и распределительных электрощитах электроустановки энергообъекта. Использование дополнительных внешних УЗИП обеспечивает защиту выпрямителя от больших импульсных токов и позволяет соответственно уменьшить до предельно допустимого (7 ...10 кА) расчётные значения величин импульсных токов, проходящие через варисторные УЗИП, непосредственно встроенные в выпрямитель.

Для защиты оборудования подстанции от повышенного напряжения в сети (пункт II) рекомендуется применять устройства для контроля напряжения фазы или аналогичные приборы. На рис. 7 показана схема подключения устройства РКФ-3/1, предназначенного для контроля фаз.

Выбор конкретной схемы для защиты промышленного энергообъекта зависит от конфигурации оборудования, высоты антенно-мачтовых сооружений и типа ввода линий электропитания (подземный или воздушный). Для энергообъектов, имеющих высотные АМС или обладающих воздушным вводом линий электропитания с рабочим напряжением 220/380 В, применяют как минимум 2-х ступенчатые схемы для защиты от токов импульсного перенапряжения, в которых используются УЗИП I и II класса защиты (ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98) «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах).

Для цепей L-N – 1-фазные грозовые разрядники, выдерживающие импульсные токи при прямом попадании молнии (10/350 мкс с амплитудным значением свыше 50 кА), с уровнем защиты (1Гр) более 4 кВ и способные автоматически гасить электрические дуги с токами не менее 4 кА.
Для цепей N-PE – грозовые разрядники, способные пропускать импульсные токи перенапряжения (10/350 мкс, с амплитудой до 120 кА), обеспечивающие минимальный уровень защиты (UP) не менее 2 кВ и способные гасить возникающие импульсные токи силой до 300 А. Данные разрядники не применяются в 4-х проводных схемах электропитания для сетей типа ТN-С.

В цепях L-N – 1-фазные (3-х фазные) защитные устройства варисторного типа, способные выдержать максимальный импульсный ток до 40 кА (8/20 мкс) с уровнем защиты (UP) более 1,5 кВ.
В цепях N-PE – грозовые разрядники II класса защиты, способные выдерживать наибольшие импульсные токи перенапряжения с амплитудой до 50 кА (8/20 мкс) и обладающие уровнем защиты (UP) от 1,5 кВ. В распределительных сетях ТN-С установка данных разрядников не обязательна.

Схемы включения УЗИП для защиты электропитающих сетей типа ТN-С-S и ТN-S приведены на Рис. 4 ...11. При монтаже защитных устройств следует выдерживать расстояние между смежными ступенями защиты (не менее десяти метров), измеренное по силовому электрическому кабелю. Данное требование является крайне важным – его соблюдение обеспечивает безотказную работу защитных устройств. При размещении защитных устройств I и II ступеней на меньшем расстоянии или при их расположении в одном и том же месте, следует установить дополнительное согласующее устройство (разделительный дроссель импульсного типа).

Для энергообъектов, использующих схему с подземным кабельным вводом электропитания, допустимо применение варисторных УЗИП комбинированного типа, которые по своим входным техническим параметрам полностью соответствуют требованиям к техническим устройствам II класса защиты (способность выдерживать импульсные токи до 25 кА с формой амплитуды 10/350 мкс). По выходным техническим параметрам (степень защиты UP (1 300...1 700 В), импульсный ток с формой амплитуды 8/20 мкс) они также должны подходить под требования для УЗИП II класса защиты. Использование данных защитных устройств позволяет полностью отказаться от применения разделительных дросселей.

Пример подобных УЗИП для энергообъекта, обладающего 2-мя подземными вводами электрического питания, привёден на Рис. 8. Отказ от схемы с использованием разделительных дросселей в пользу варисторных УЗИП позволяет получить экономию до 40%. Однако следует помнить, что при установке подобных защитных устройств на линии электропитания с воздушным вводом, нельзя исключать вероятность повреждения защитных устройств при прямом попадании грозового разряда в провода линии электропередач данного энергообъекта.

Требования к монтажу и установке УЗИП

При использовании защитных устройств в ЭПУ энергообъекта контейнерного типа, имеющего ограниченные габаритные характеристики, рекомендуется выполнить следующее:

Защитные устройства I класса (грозовые разрядники или комбинированные УЗИП варисторного типа) лучше всего устанавливать во вводном электрощитке, после вводного автоматического выключателя, но перед счетчиком для учёта электроэнергии, что обеспечивает надёжную защиту последнего.
Защитные устройства II класса также размещаются во вводном распределительном щитке непосредственно перед автоматическими выключателями (Рис.8, 9). В случае необходимости данные УЗИП монтируются на DIN-рейке выпрямительного устройства (Рис. 10, 11). Этот вариант подходит в том случае, когда устанавливается новый выпрямитель (при наличии УЗИП II класса защиты).
Для энергообъектов контейнерного типа во вводном распределительном щитке следует устанавливать импульсные разделительные дроссели, обладающие индуктивностью 15 мкГн. На входе в ЭПУ или на линии, где расположены дроссели, устанавливаются защитные устройства, предназначенных для защиты дросселей и проводников от токов перенапряжения и токов КЗ. На Рис. 8 ...11 показаны схемы, где используются распределительные дроссели и автоматические выключатели (32 А).
При использовании варисторных УЗИП комбинированного типа требования по их монтажу схожим с теми, которые предъявляются к грозовым разрядникам. Однако при этом можно не устанавливать разделительные дроссели и варисторные УЗИП II-го класса.

Рис.11. Подключение защитных устройств к сети ТК-8 с рабочим напряжением 220/380 В

В тех случаях, когда при использовании подобных УЗИП в действующей ЭПУ энергообъекта габаритные характеристики защитных устройств не являются главным критерием и когда нежелательны какие-либо изменения в монтажной схеме ЭПУ, следует устанавливать дополнительные электрощиты для защиты от импульсных токов перенапряжений (ЩЗИП) (Рис. 12...14).

Рис.12. Применение защитных устройств в 4-х проводной сети ТN-С (220/380 В) с 2-мя подземными вводами.

Рис.13. Применение защитных устройств в 4-х проводной сети ТN-С (220/380 В) с 2-мя воздушными вводами (с установкой разделительных дросселей)

Рис.14. Применение защитных устройств в 4-х проводной сети ТN-С (220/380 В) с 2-мя воздушными вводами (без использования в схеме разделительных дросселей)

Существуют схемы, где установлены дополнительные разделительные дроссели между I и II ступенями защиты. Следует заметить, что номинал разделительных дросселей подбирается с учётом максимального тока нагрузки, взятого отдельно для каждой фазы ЭПУ энергообъекта. Для установки на DIN-рейку в модельном ряду производителя предусмотрены разделительные дроссели с номиналом до 63 А. Защитные устройства, способные выдерживать большие токи (до 120 А), обладают значительными габаритными размерами, что может вызвать трудности при их монтаже в распределительные щиты небольших размеров.

Поэтому, при больших габаритах энергообъекта и значительных рабочих токах, имеет практический смысл не использовать разделительные дроссели и устанавливать УЗИП различных ступеней защиты на расстоянии не менее десяти метров в различных распредщитах. Но если разделительные дроссели входят в схему защиты энергообъекта, на вводе в ЭПУ или на той силовой линии, где размещены дроссели, следует устанавливать устройства для защиты дросселей и электрических кабелей от токов импульсного перенапряжения и токов КЗ. В этом случае использование предохранителей, подключенных последовательно с каждым устройством для защиты от токов импульсного перенапряжения, технически нецелесообразно.

Так как номиналы предохранителей, предусмотренные изготовителем защитных устройств, превышают номинальные значения разделительных дросселей (при максимальном токе до 120 А). При отсутствии в схеме защиты необходимых дросселей (Рис. 8 и 10), следует обеспечить защиту ЭПУ от аварийных режимов КЗ в устройствах защиты от импульсного перенапряжения за счёт последовательного подключения предохранителей, номинал которых должен соответствовать ТУ производителя данных устройств. При более низком номинальном значении устройств для защиты от максимальных токов импульсного перенапряжения (защитных автоматических выключателей или предохранителей), установленных перед местом подключения УЗИП, допускается монтаж вышеприведённой схемы без предохранителей.

Важнейшие технические параметры защитных устройств, использованных в вышеприведённых схемах (Рис. 8...14), приведены в Таблице 1.

Таблица 1.

Примечания к таблице 1:

Указаны только крайние позиции среди устройств серии 5РС
Представлены только 1-фазные устройства серии 8РС

Для эффективной защиты оборудования энергообъекта по вторичному питанию в каждую цепь устанавливаются соответствующие УЗИП (48 В или 60 В). Количество защитных устройств и места их расположения выбираются с учетом конкретного типа электрооборудования и условий прокладки трасс для шин вторичного питания по энергообъекту. На Рис. 11 варисторный УЗИП мод. РIII-60 размещён на DIN-рейке выпрямительного устройства. Последовательно с УЗИП подключен предохранитель 63 АgG, предназначенный для защиты выхода 48 VDC выпрямительного устройства в случае возникновения КЗ в варисторе.

Рис.15. Схема защиты электропитающих установок объекта контейнерного типа по цепям постоянного тока со стороны линий огней системы светового ограждения.

Также на Рис. 15 показана схема защиты ЭПУ энергообъекта контейнерного типа со стороны электропитания и от заноса перенапряжения от линии питания с рабочим напряжением 220 В огней светового ограждения (СОМ), размещённых на антенно-мачтовом сооружении.

Устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) — устройство предназначенное для защиты электрической сети и электрооборудования от перенапряжений которые могут быть вызваны прямым или косвенным грозовым воздействием, а так же переходными процессами в самой электросети.

Другими словами УЗИПы выполняют следующие функции :

— Защита от удара молнии электрической сети и оборудования, т.е. защита от перенапряжений вызванных прямыми или косвенными грозовыми воздействиями

— Защита от импульсных перенапряжений вызванных коммутационными переходными процессами в сети, связанных с включением или отключением электрооборудования с большой индуктивной нагрузкой, например силовых или сварочных трансформаторов, мощных электродвигателей и т.д.

— Защита от удаленного короткого замыкания (т.е. от перенапряжения возникшего в результате произошедшего короткого замыкания)

УЗИПы имеют различные названия: ограничитель перенапряжений сети — ОПС (ОПН) , ограничитель импульсных напряжений — ОИН , но все они имеют одинаковые функции и принцип работы.

Принцип работы и устройство защиты УЗИП

Принцип работы УЗИПа основан на применении нелинейных элементов, в качестве которых, как правило, выступают варисторы.

Варистор — это полупроводниковый резистор сопротивление которого имеет нелинейную зависимость от приложенного напряжения.

Ниже представлен график зависимости сопротивления варистора от приложенного к нему напряжения:

Из графика видно, что при повышении напряжения выше определенного значения сопротивление варистора резко снижается.

Как это работает на практике разберем на примере следующей схемы:

На схеме упрощенно представлена однофазная электрическая цепь, в которой через автоматический выключатель подключена нагрузка в виде лампочки, в цепь так же включен УЗИП, с одной стороны он подключен к фазному проводу после , с другой — к заземлению.

В нормальном режиме работы напряжение цепи составляет 220 Вольт, при таком напряжении варистор УЗИПа обладает высоким сопротивлением измеряющимся тысячами МегаОм, настолько высокое сопротивление варистора препятствует протеканию тока через УЗИП.

Что же происходит при возникновении в цепи импульса высокого напряжения, например, в результате удара молнии (грозового воздействия).

На схеме видно что при возникновении импульса в цепи резко возрастает напряжение, что в свою очередь вызывает мгновенное, многократное уменьшение сопротивления УЗИПа (сопротивление варистора УЗИПа стремится к нулю), уменьшение сопротивление приводит к тому, что УЗИП начинает проводить электрически ток, закорачивая электрическую цепь на землю, т.е. создавая короткое замыкание которое приводит к срабатыванию автоматического выключателя и отключению цепи. Таким образом ограничитель импульсных перенапряжений защищает электрооборудование от протекания через него импульса высокого напряжения.

Классификация УЗИП

Согласно ГОСТ Р 51992-2011 разработанного на основе международного стандарта МЭК 61643-1-2005 есть следующие классы УЗИП:

УЗИП 1 класс — (так же обозначается как класс B ) применяются для защиты от непосредственного грозового воздействия (удара молнии в систему), атмосферных и коммутационных перенапряжений. Устанавливаются на вводе в здание во вводно-распределительном устройстве (ВРУ) или главном распределительном щите (ГРЩ). Обязательно должен устанавливаться для отдельно стоящих зданий на открытой местности, зданий подключаемых к воздушной линии, а так же зданий имеющих молниеотвод или находящихся рядом с высокими деревьями, т.е. зданиях с высоким риском оказаться под прямым или косвенным грозовым воздействием. Нормируются импульсным с формой волны 10/350 мкс. Номинальный разрядный ток составляет 30-60 кА.

УЗИП 2 класс — (так же обозначается как класс С ) применяются для защиты сети от остатков атмосферных и коммутационных перенапряжений прошедших через УЗИП 1-го класса. Устанавливаются в местных распределительных щитках, например во вводном щитке квартиры или офиса. Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс Номинальный разрядный ток составляет 20-40 кА.

УЗИП 3 класс — (так же обозначается как класс D ) применяются для защиты электронной аппаратуры от остатков атмосферных и коммутационных перенапряжений, а так же высокочастотных помех прошедших через УЗИП 2-го класса. Устанавливаются в разветвительные коробки, розетки, либо встраивается непосредственно в само оборудование. Примером использования УЗИПа 3-го класса служат сетевые фильтры применяемые для подключения персональных компьютеров. Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс. Номинальный разрядный ток составляет 5-10 кА.

Маркировка УЗИП — характеристики

Характеристики УЗИП:

Номинальное и максимальное напряжение — максимальное рабочее напряжение сети на работу под которым рассчитан УЗИП.
Частота тока — рабочая частота тока сети на работу при которой рассчитан УЗИП.
Номинальный разрядный ток (в скобках указана форма волны тока) — импульс тока с формой волны 8/20 микросекунд в килоАмперах (кА), который УЗИП способен пропустить многократно.
Максимальный разрядный ток (в скобках указана форма волны тока) — максимальный импульс тока с формой волны 8/20 микросекунд в килоАмперах (кА) который УЗИП способен пропустить один раз не выйдя при этом из строя.
Уровень напряжения защиты — максимальное значение падения напряжения в килоВольтах (кВ) на УЗИПе при протекании через него импульса тока. Данный параметр характеризует способность УЗИПа ограничивать перенапряжение.

Схема подключения УЗИП

Общим условием при подключении УЗИП являетя наличие со стороны питающей сети предохранителя или соответствующего нагрузке сети, поэтому все представленные ниже схемы будут включать в себя автоматические выключатели (схему подключения УЗИП в электрощитке ):

Схемы подключения УЗИП (ОПС, ОИН) в однофазную сеть 220В (двухпроводную и трехпроводную):

Схемы подключения УЗИП (ОПС, ОИН) в трехфазную сеть 3800В

Принципиальные схемы подключения УЗИП выглядят следующим образом.

Если в вашем доме установлено множество дорогой бытовой техники, лучше позаботиться об организации комплексной защиты электросети. В этой статье мы расскажем об устройствах защиты от импульсных перенапряжений, зачем они нужны, какие бывают и как устанавливаются.

Природа импульсных перенапряжений и их влияние на технику

Многим с детства знакома суета с отключением от сети бытовых электроприборов при первых признаках надвигающейся грозы. Сегодня электрооборудование городских сетей стало более совершенным, из-за чего многие пренебрегают элементарными устройствами защиты. В то же время проблема не исчезла совсем, бытовая техника, особенно в частных домах, все еще находится в зоне риска.

Характер возникновения импульсных перенапряжений (ИП) может быть природным и техногенным. В первом случае ИП возникают из-за попадания молнии в воздушные ЛЭП, причем расстояние между точкой попадания и подверженными риску потребителями может составлять до нескольких километров. Возможен также удар в радиомачты и молниеотводы , подключенные к основному заземляющему контуру, в этом случае в бытовой сети появляется наведенное перенапряжение.

1 — удаленный удар молнии в ЛЭП; 2 — потребители; 3 — контур заземления; 4 — близкий удар молнии в ЛЭП; 5 — прямой удар молнии в громоотвод

Техногенные ИП непредсказуемы, они возникают в результате коммутационных перегрузок на трансформаторных и распределительных подстанциях. При несимметричном повышении мощности (только на одной фазе) возможен резкий скачок напряжения, предусмотреть такое почти невозможно.

Импульсные напряжения очень коротки по времени (менее 0,006 с), они появляются в сети систематически и чаще всего проходят незаметно для наблюдателя. Бытовая техника рассчитана выдерживать перенапряжения до 1000 В, такие появляются наиболее часто. При более высоком напряжении гарантирован выход из строя блоков питания, возможен также пробой изоляции в проводке дома, что приводит к множественным коротким замыканиям и пожару.

Как устроен и как работает УЗИП

УЗИП, в зависимости от класса защиты, может иметь полупроводниковое устройство на варисторах, либо иметь контактный разрядник. В нормальном режиме УЗИП работает в режиме байпаса, ток внутри него протекает через проводящий шунт. Шунт соединен с защитным заземлением через варистор или двумя электродами со строго нормируемым зазором.

При скачке напряжения, даже очень непродолжительном, ток проходит через эти элементы и растекается по заземлению или компенсируется резким падением сопротивления в петле фаза-ноль (короткое замыкание). После стабилизации напряжения разрядник теряет пропускную способность, и устройство снова работает в нормальном режиме.

Таким образом, УЗИП на некоторое время замыкает цепь, чтобы переизбыток напряжения мог преобразоваться в тепловую энергию. Через устройство при этом проходят значительные токи — от десятков до сотни килоампер.

В чем различие между классами защиты

В зависимости от причин возникновения ИП, различают две характеристики волны повышенного напряжения: 8/20 и 10/350 микросекунд. Первая цифра — это время, за которое ИП набирает максимальное значение, вторая — время спада до номинальных значений. Как видно, второй тип перенапряжений более опасный.

Устройства I класса предназначены для защиты от ИП с характеристикой 10/350 мкс, наиболее часто возникающих при разряде молнии в ЛЭП ближе 1500 м к потребителю. Устройства способны кратковременно пропустить через себя ток от 25 до 100 кА, практически все приборы I класса основаны на разрядниках.

УЗИП II класса ориентированы на компенсацию ИП с характеристикой 8/20 мкс, пиковые значения тока в них колеблются от 10 до 40 кА.

Класс защиты III предназначен для компенсации перенапряжений со значениями тока менее 10 кА при характеристике ИП 8/20 мкс. Устройства класса защиты II и III основаны на полупроводниковых элементах.

Может показаться, что достаточно установки только устройств класса I, как наиболее мощных, но это не так. Проблема в том, что чем выше нижний порог пропускного тока, тем менее чувствителен УЗИП. Другими словами: при коротких и относительно низких значениях ИП мощный УЗИП может не сработать, а более чувствительный не справится с токами такой величины.

Устройства с классом защиты III рассчитаны на устранение самых низких ИП — всего в несколько тысяч вольт. Они полностью аналогичны по характеристикам устройствам защиты, устанавливаемым производителями в блоках питания бытовой техники. При дублирующей установке они первыми принимают на себя нагрузку и предотвращают срабатывание УЗИП в приборах, ресурс которых ограничен 20-30 циклами.

Есть ли необходимость в УЗИП, оценка рисков

Полный перечень требований к организации защиты от ИП изложен в МЭК 61643-21, определить обязательность установки можно по стандарту МЭК 62305-2, согласно которому устанавливается конкретная оценка степени риска удара молнии и вызванных им последствий.

В целом при электроснабжении от воздушных ЛЭП установка УЗИП I класса почти всегда предпочтительна, если только не был выполнен комплекс мероприятий по снижению влияния гроз на режим электроснабжения: повторное заземление опор, PEN-проводника и металлических несущих элементов, устройство громоотвода с отдельным контуром заземления, установка систем уравнивания потенциалов.

Более простой способ оценить риск — сопоставить стоимость незащищенной бытовой техники и устройств защиты. Даже в многоэтажных домах, где перенапряжения имеют весьма низкие значения при характеристике 8/20, риск пробоя изоляции или выхода из строя приборов достаточно велик.

Установка устройств в ГРЩ

Большинство УЗИП имеют модульное исполнение и могут быть установлены на DIN-рейку 35 мм. Единственное требование — щит для установки УЗИП должен иметь металлический корпус с обязательным подключением к защитному проводнику.

При выборе УЗИП, помимо основных рабочих характеристик, следует учитывать также номинальный рабочий ток в режиме байпаса, он должен соответствовать нагрузке в вашей электросети. Другой параметр — максимальное напряжение ограничения, оно не должно быть ниже самого высокого значения в рамках суточных колебаний.

УЗИП подключаются последовательно к питающей однофазной или трехфазной сети, соответственно через двухполюсный и четырехполюсный автоматический выключатель. Его установка необходима на случай спаивания электродов разрядника или пробоя варистора, что вызывает постоянное короткое замыкание. На верхние клеммы УЗИП подключают фазы и защитный проводник, на нижние — нулевой.

Пример подключения УЗИП: 1 — ввод; 2 — автоматический выключатель; 3 — УЗИП; 4 — шина заземления; 5 — контур заземления; 6 — счетчик электроэнергии; 7 — дифференциальный автомат; 8 — к автоматам потребителей

При установке нескольких защитных устройств с разными классами защиты требуется их согласование с помощью специальных дросселей, подключенных последовательно с УЗИП. Защитные устройства встраиваются в цепь по возрастанию класса. Без согласования более чувствительные УЗИП будут принимать основную нагрузку на себя и раньше выйдут из строя.

Установки дросселей можно избежать, если протяженность кабельной линии между устройствами превышает 10 метров. По этой причине УЗИП I класса монтируют на фасаде еще до счетчика, защищая от перенапряжений учетный узел, а второй и третий класс устанавливают, соответственно, на ВРУ и этажных/групповых щитках.

УЗИП (Устройства защиты от импульсных перенапряжений), или как их еще называют, ограничители импульсных перенапряжений применяются для защиты сетей от грозовых, коммутационных и электростатических импульсных перенапряжений.

Попадание грозового разряда в сеть способно вызвать пробой изоляции даже на значительных расстояниях от места разряда, что соответственно повлечет за собой выход из строя электробытовых приборов (компьютеров, телевизоров, стиральных машин и т.д.). Чтобы уберечь технику от таких фатальных последствий и применяют УЗИП, который благодаря своему устройству гасит импульсы перенапряжений до безопасной величины. Конечно, помимо УЗИП, для полной защиты в доме должно быть выполнено защитное заземление по системе TN-C-S, TN-S или ТТ с разделёнными нулевым и защитным проводниками, система молниезащиты, .

Ограничители класса В – предназначены для защиты объектов от непосредственного удара молнии, атмосферных и коммутационных перенапряжений. Устанавливают на вводе в здание во вводно-распределительном устройстве (ВРУ) или главном распределительном щите (ГРЩ). Номинальный разрядный ток 30-60 кА.
Ограничители класса С – предназначены для защиты электрооборудования объектов от остатков атмосферных и коммутационных перенапряжений, прошедших через ограничители класса В. Устанавливают в распределительных щитах. Защищают внутреннюю проводку, автоматику и т.д. Номинальный разрядный ток 20-40 кА.
Ограничители класса D – предназначены для защиты потребителей от остатков атмосферных перенапряжений, фильтрации высокочастотных помех, защиты от дифференциальных (несимметричных) перенапряжений.Устанавливаются непосредственно возле потребителя. Номинальный разрядный ток 5-10 кА.

Конструктивно большинство УЗИП класса C и D выполнены на базе варисторов, УЗИП класса B на основе разрядников.

Варисторы обычно выполнены в виде сменного модуля. Помимо этого, УЗИП оснащен механическим предохранителем, который является по сути тепловой защитой и цветовым индикатором состояния. Зеленый цвет индикатора сигнализирует об исправности элемента, оранжевый — о необходимости замены элемента.

Рис.1 1 - Корпус 2 - Варисторный модуль 3 - Индикатор работы устройства 4 - Предохранитель в виде металлической пластины

Принцип действия УЗИП

При отсутствии импульсных напряжений ток через варистор пренебрежимо мал и поэтому варистор в этих условиях представляет собой изолятор. При возникновении импульса перенапряжения варистор в силу нелинейности своей характеристики резко уменьшает свое сопротивление и шунтирует нагрузку, защищая ее и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. Тепловой излишек сбрасывается в землю, через защитный проводник РЕ (заземление). Через варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после прохождения импульса тока он вновь приобретает очень большое сопротивление.

При выборе защитных устройств обращайте внимание на следующие параметры:

Номинальное рабочее напряжение. (Un) Это номинальное действующее напряжение сети, для работы в которой предназначено защитное устройство.
Максимальное рабочее напряжение. (Uc) Это наибольшее действующее значение напряжения переменного тока, которое может быть длительно приложено к выводам защитного устройства.
Классификационное напряжение. Это действующее значение напряжения промышленной частоты, которое прикладывается к варисторному ограничителю для получения классификационного тока (обычно значение классификационного тока принимается равным 1,0 мА).
Номинальный разрядный ток. (In) Это пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, проходящего через защитное устройство. Ток данной величины защитное устройство может выдерживать многократно. Используется для испытания УЗИП класса II. При воздействии данного импульса определяется уровень защиты устройства.
Максимальный разрядный ток. (Imax) Это пиковое значение испытательного импульса тока формы 8/20 мкс, который защитное устройство может пропустить один раз и не выйти из строя. Используется для испытания УЗИП класса II.
Уровень напряжения защиты. (Up) Это максимальное значение падения напряжения на защитном устройстве при протекании через него импульсного тока разряда. Параметр характеризует способность устройства ограничивать появляющиеся на его клеммах перенапряжения. Обычно определяется при протекании номинального разрядного тока (In).
Время срабатывания. Для оксидно-цинковых варисторов его значение обычно не превышает 25 нс. Для разрядников разной конструкции время срабатывания может находиться в пределах от 100 наносекунд до нескольких микросекунд.

Импульсное перенапряжение (ИП) – это кратковременное, длящееся доли секунд, и резкое повышение (скачок) напряжения, которое опасно для электрической линии и электрического оборудования своим разрушающим воздействием.

Причины появления ИП

Существует две основных причины появления ИП, это природная и технологическая. В первом случае причиной является прямое или косвенное попадание молнии в линию электропередачи (ЛЭП) или в молниезащиту защищаемого здания. Во втором случае скачки напряжения появляются из-за коммутационных перегрузок на силовых трансформаторных подстанциях.

Назначение УЗИП

Чтобы обезопасить электрическую линию, электрическое оборудование и электрические приборы от резких скачков напряжения и опасных электрических токовых импульсов применяют устройства защиты от импульсных перенапряжений (сокращённо УЗИП).

В состав УЗИП входит как минимум один нелинейный элемент. Если их несколько, то внутреннее подключение УЗИП может выполняться между разными фазами, между фазой и заземлением (землёй), а также между нулём и фазой, между нулём и заземлением. Кроме того, подключение нелинейных элементов выполняется и в виде определённой комбинации.

Виды УЗИП

По количеству вводов УЗИП бывают одновводные и двухвводные. Подключение первого вида выполняется параллельно защищаемой электрической цепи. УЗИП второго вида имеют два комплекта выводов – вводные и выводные.

По типу нелинейного элемента делятся на:

● УЗИП коммутирующего типа;

● УЗИП ограничивающего типа;

● УЗИП комбинированного типа.

УЗИП коммутирующего типа в нормальном рабочем режиме обладает достаточно высоким значением сопротивления. Но в случае резкого скачка напряжения сопротивление УЗИП резко изменяется до очень низкого значения. УЗИП коммутирующего типа основаны на «разрядниках».
УЗИП ограничивающего типа также изначально имеет сопротивление большой величины, но по мере увеличения напряжения в сети и увеличения волны электрического тока, сопротивление постепенно снижается. УЗИП данного типа нередко называют «ограничителями».
Комбинированные УЗИП конструктивно состоят из элементов с функцией коммутации и элементов с функцией ограничения, соответственно они способны коммутировать напряжение, ограничивать повышение напряжения, а также способны выполнять эти две функции одновременно.

Классы УЗИП

УЗИП делят на три класса. УЗИП класса 1 применяют для защиты от ИП, вызванных прямым попаданием молнии в молниезащиту или в линию электропередачи. УЗИП класса 1 обычно монтируют внутри вводного распределительного шкафа (ВРЩ) или внутри главного распределительного щита (ГРЩ). УЗИП класса 1 нормируются импульсным электрическим током с формой волны 10/350 мкс. Это наиболее опасное значение импульсного тока.

УЗИП класса 2 применяются в качестве дополнительной защиты от попаданий молнии. Также их применяют, когда нужно выполнить защиту от коммутационных помех и перенапряжений. Монтаж УЗИП класса 2 выполняется после УЗИП класса 1. УЗИП класса 2 нормируется импульсным током с формой волны 8/20 мкс. Конструкция УЗИП класса 2 – это основание (корпус) и специальные сменные модули, имеющие сигнализирующий индикатор. По индикатору можно узнать о состоянии УЗИП. Зелёный цвет индикатора указывает на нормальный режим работы устройства, оранжевый цвет индикации указывает на необходимость замены сменных модулей. Иногда в конструкции УЗИП используется специальный электрический контакт, который дистанционно передаёт сигнал о том, в каком состоянии находится устройство. Это очень удобно для обслуживания УЗИП.

УЗИП класса 1+2 применяются для защиты отдельных жилых зданий. УЗИП данного типа устанавливаются недалеко от электрооборудования. Они используются в качестве последнего барьера, защищаемого оборудование от небольших остаточных перенапряжений. В качестве УЗИП данного класса выпускаются специализированные электрические вилки, розетки и др.

Использование УЗИП всех трёх классов, позволяет построить трехступенчатую защиту от импульсных перенапряжений.

УЗИП подключаются к однофазной сети 220В или к трёхфазной сети 380В. На промышленных объектах наиболее часто применяются трёхфазные УЗИП. Что касается частных домов и бытовой электрической сети, то используется УЗИП на напряжение 220В. Поэтому полная схема, в которой используется УЗИП, должна быть выполнена на такое напряжение и с применением соответствующего типа УЗИП. Вариант схемы подключения и конструктивного исполнения применяемого УЗИП зависит от режима нейтрали.

Если нейтраль N и защитный проводник PE объединены в один общий проводник PEN, то для защиты от ИП применяется самое простое по конструкции УЗИП, которое состоит всего лишь из одного блока. Схема подключения такого УЗИП выполняется в следующем виде: фазный провод, подключаемый на вход УЗИП – выходной провод, подключённый к PEN-проводнику – параллельно подключённое защищаемое электрооборудование или электрические аппараты.

По современным электротехническим требованиям нейтраль электрической сети должна выполняться отдельно от защитного проводника PE. В таком случае используется УЗИП с двумя модулями и отдельными клеммами L, N, PE. Вариант такой схемы подключения выглядит следующим образом: фазный провод подключается на клемму устройства защитного отключения L и шлейфом идёт на защищаемое оборудование. Нулевой проводник подключается на клемму N устройства УЗИП и шлейфом также идёт на оборудование. Клемма PE устройства УЗИП подключается на защитную шину PE. Аналогично заземляется и защищаемое оборудование.

Таким образом, и в первом и во втором случае при возникновении перенапряжений импульсные токи уходят в землю либо по проводнику PEN либо по защитному проводнику PE, не затрагивая защищаемое электрооборудование.