Импульсные перенапряжения в электрических сетях — не редкость. Возникают они при прямых или близких ударах молний, из-за переключений в высоковольтных сетях, а также из-за различных аварийных процессов. При этом особой опасности подвергаются частные домовладения, которые получают питание по воздушной линии электропередачи (ВЛ).
Молния — это электрический разряд атмосферного происхождения, который развивается между грозовым облаком и землей или между грозовыми облаками. Считается, что ток прямого удара молнии, составляет примерно 100 тысяч Ампер , а напряжение до 1 миллиарда Вольт . Форма импульса перенапряжения при ударе молнии показана на рисунке ниже.
Очевидно, что воздействие напряжения в десятки тысяч вольт на электроприборы, рассчитанные на 220В приведет как минимум к выходу их из строя, а чаще — к их возгоранию.
Когда нужно применять УЗИП
Защита зданий и сооружений от возгораний при прямом попадании молнии осуществляется молниеотводами. Для жилых зданий он представляет собой сваренную сетку из стали диаметром 8 мм на плоской кровле, с шагом ячейки 15х15 или трос, протянутый на коньке кровли, если она скатного типа.
Защита техники и электропроводки от воздействий молнии осуществляется специальными аппаратами — . Применение УЗИП при вводе в здание воздушной линией является обязательным. Такое требование предъявляет ПУЭ п.7.1.22. УЗИП могут выглядеть как модули, устанавливаемые на DIN-рейку, или как устройства, встраиваемые в вилки или розетки.
В современном доме находится немалое количество бытовой техники, приборов и электроники. При этом большинство частных домов получают энергию с помощью воздушной линии электропередачи (ЛЭП). В такой ситуации имеет смысл устройство защиты от импульсных перенапряжений, возникающих в сети при ударах молнии.
Ужасно выглядит удар молнии в домПричины возникновения и характер импульсов перенапряжения
Многие пожилые люди, покидая свое жилище на продолжительный срок, по старинке вынимают из розеток шнуры всех электроприборов, опасаясь молнии. В настоящее время линии электропередач относительно защищены от атмосферных воздействий, а в бытовой электронике имеется элементарная защита от импульсов напряжением до нескольких тысяч вольт.
Таким образом, в многоквартирном доме, к которому электроснабжение подается подземным кабелем, проблема защиты от грозы в значительной степени решена.
В случае энергоснабжения по воздуху необходимо принимать комплексные меры по защите от удара молнии.
Негативное воздействие атмосферного электричества может возникать:
- при ударе молнии непосредственно в линию электропередачи рядом с домом, что приводит к возникновению импульса 10/350мкс (первое значение – время роста импульса, второе – время спада);
- при попадании молнии в ЛЭП на дальнем расстоянии и образовании волны с характеристикой 8/20мкс;
- при грозовом разряде в непосредственной близости и наведении на линию электропередачи электромагнитного импульса.
Варианты схем удара молнии Классификация защиты от импульсов перенапряжения
Знакомые всем искровые разрядники Заметим, что высоковольтные импульсы в сети могут также возникать в результате аварии на электрической подстанции или обрыва нулевого провода в трехфазной сети. В результате перечисленных воздействий отказывает бытовая техника, а также электрические коммутационные приборы. Если изоляция проводки в доме будет пробита, произойдет короткое замыкание, возгорание и пожар.
Вентильные разрядники на электрической подстанции Основу ограничителя перенапряжения составляет варистор, то есть резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от приложенного напряжения. ОПН более надежны, имеют меньшие размеры. В конкретной ситуации имеется возможность установить ограничители импульсного перенапряжения с наиболее подходящей характеристикой.
В низковольтных сетях, которые обеспечивают питание жилых домов, используют устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Эти малогабаритные приборы модульного типа делятся на три класса и могут быть применены владельцами жилья в собственных домах и квартирах.
Модульные УЗИП для монтажа в электрощите Устройства I класса устанавливаются на вводном щите жилого дома. Они предназначены для защиты от близких ударов молнии (до 1,5км) и пропускают через себя токи от 25 до 100 тысяч ампер с характеристикой импульса 10/350мкс. УЗИП II класса монтируются в распределительном щите в качестве второй ступени защиты от удара молнии и пропускают через себя токи 10-40 тысяч ампер с характеристикой импульса 8/20мкс.
Устройства III класса гасят импульсы с характеристикой 8/20мкс и рассчитаны на токи до 10 кА. Они устанавливаются непосредственно у электроприборов. По конструктивному исполнению УЗИП III класса могут изготавливаться в виде модулей и монтироваться на din-рейку, а также встраиваться в розетку или в вилку потребителя энергии.
Нужна ли установка УЗИП в Вашем случае?
Стандартная электрическая схема подключения УЗИП в трехфазной сети Классическая схема подключения УЗИП предусматривает последовательную установку устройств всех трех классов. Если ограничиться только устройством класса I, то оно может не сработать при относительно слабых импульсах. Наоборот, самое чувствительное УЗИП класса III не выполнит свою задачу при мощном воздействии.
Существуют стандарты и методики для расчета степени риска удара молнии и оценки последствий. В общем виде УЗИП класса I можно не устанавливать, если опоры линии электропередачи имеют заземление, заземлен нулевой провод, установлен громоотвод, и реализована система выравнивания потенциалов.
Однако, не обладая специальными знаниями в области электроснабжения, куда проще обеспечить стандартную схему защиты от импульсных скачков напряжения.
При этом в любом случае отрицательное воздействие грозового разряда сильно снижается при установке громоотвода. Если Вы этого еще не сделали, читайте статью
Как работают различные виды УЗИП
Устройства защиты от импульсных перенапряжений используют в своей конструкции разрядники или полупроводниковые приборы – варисторы. Последние нагреваются при срабатывании и плохо работают при повторении высоковольтных воздействий. Варистор должен остыть, чтобы вернуться в рабочее состояние. УЗИП модульного типа часто имеют индикаторы работоспособности и могут быть заменены при выходе из строя.
Электрическая схема работы УЗИП При нормальном напряжении в сети ток проходит по проводникам к нагрузке. Во время скачка напряжения разрядник открывается и пропускает ток на землю. После возвращения напряжения в сети к рабочим значениям, элементы УЗИП снова закрываются, и электроснабжение протекает в обычном режиме.
Во время срабатывания устройства защиты через него протекает ток до десятков тысяч ампер. При этом выделяется большое количество энергии, то есть тепла.
Устройство защиты от импульсных скачков напряжения своими руками
Пример монтажа УЗИП в электрощите Защита от грозовых перенапряжений может быть выполнена своими руками. УЗИП модульного типа устанавливают в вводном щите с корпусом из металла. При этом следует применять устройство, номинальный рабочий ток которого не меньше величины, ограниченной входным автоматом. Также напряжение ограничения УЗИП не должно быть ниже допустимого в Вашей сети.
УЗИП класса I подключается после входного автомата в однофазной или трехфазной сети. Сверху к устройству подводятся защищаемые линии электроснабжения, снизу – заземление. Ниже приводится вариант электромонтажной схемы подключения УЗИП класса I в однофазной сети.
Электромонтажная схема подключения УЗИП в однофазной сети УЗИП класса II монтируется в распределительном щите внутри дома. Устройство защиты третьего класса устанавливается непосредственно у потребителей. Если ступени устройства защиты находятся рядом, между ними необходимо включать дроссели для согласования. В противном случае УЗИП с большей чувствительностью примет весь ток нагрузки на себя. Если расстояние между приборами защиты более 10м, роль дросселей выполнит электропроводка.
Тема выбора и подключения устройств защиты от грозовых перенапряжений не является простой для неспециалистов. В сложных случаях лучше обратиться в специализированную организацию.
3.7. Импульс напряжения и временное перенапряжение
Искажение формы кривой питающего напряжения может происходить за счет появления высокочастотных импульсов при коммутациях в сети, работе разрядников и т.д. Импульс напряжения - резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня. Величина искажения напряжения при этом характеризуется показателем импульсного напряжения (рис.3.7).
Рис.3.7 Параметры импульсного напряжения
(3.22)
Где U имп - значение импульсного напряжения, В.
Амплитудой импульса называется максимальное мгновенное значение импульса напряжения. Длительность импульса - это интервал времени между начальным моментом импульса напряжения и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до первоначального или близкого к нему уровня.
Показатель - импульсное напряжение стандартом не нормируется.
Временное перенапряжение - повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1 U ном продолжительностью более 10 мс, возникающие в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях (рис. 3.8).
Временное перенапряжение характеризуется коэффициентом временного перенапряжения (K пер.U): это величина, равная отношению максимального значения огибающей амплитудных значений напряжения за время существования временного перенапряжения к амплитуде номинального напряжения сети.
(3.23)
Длительностью временного перенапряжения называется интервал времени между начальным моментом возникновения временного перенапряжения и моментом его исчезновения.
(3.24)
Коэффициент временного перенапряжения стандартом также не нормируется.
Значения коэффициента временного перенапряжения в точках присоединения электрической сети общего назначения в зависимости от длительности временных перенапряжений не превышают значений приведеных в таблице 3.3 .
Таблица 3.3 Зависимость коэффициента временного перенапряжения от длительности перенапряжения
В среднем за год в точке присоединения возможны около 30 временных перенапряжений.
При обрыве нулевого проводника в трехфазных электрических сетях напряжением до 1 кВ, работающих с глухозаземленной нейтралью, возникают временные перенапряжения между фазой и землей. Уровень таких перенапряжений при значительной несимметрии фазных нагрузок может достигать значений междуфазного напряжения, а длительность нескольких часов.
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.
Современные бытовые приборы зачастую имеют в своих блоках питания встроенную защиту от импульсных перенапряжений, однако, ресурс типичных решений на варисторах исчерпывается максимум 30 случаями срабатывания, да и то если ток при нештатной ситуации не превысит 10 кА. Рано или поздно встроенная в прибор защита может подвести, а незащищенные от перенапряжения приборы попросту выйдут из строя и принесут своим владельцам массу хлопот. А между тем, причинами опасных импульсных перенапряжений могут стать: гроза, ремонтные работы, броски при коммутации мощных реактивных нагрузок и мало ли что еще.
Для предотвращения таких неприятных ситуаций и предназначены устройства защиты от импульсных перенапряжений (сокращенно - УЗИП), которые принимают на себя аварийный импульс перенапряжения, не давая ему вывести из строя включенные в сеть электрические приборы.
Принцип действия УЗИП довольно прост: в обычном режиме ток внутри устройства течет через проводящий шунт, и далее через нагрузку, подключенную в этот момент к сети; но между шунтом и заземлением установлен защитный элемент - варистор или разрядник, сопротивление которого в нормальном режиме составляет мегаомы, и если вдруг возникнет перенапряжение, то защитный элемент мгновенно перейдет в проводящее состояние, и ток устремится через него к заземлению.
В момент срабатывания УЗИП, сопротивление в петле фаза-ноль снизится до критического, и бытовая техника будет спасена, ибо линия будет практически накоротко шунтирована через защитный элемент УЗИП. Когда напряжение в линии стабилизируется, защитный элемент УЗИП вновь перейдет в непроводящее состояние, и ток к нагрузке снова потечет через шунт.
Существуют и широко распространены три класса устройств защиты от импульсных перенапряжений:
Устройства защиты класса I предназначены для защиты от импульсов перенапряжений с характеристикой волны 10/350 мкс, это значит, что максимально допустимое время нарастания импульса перенапряжения до максимума и спада до номинального значения не должно превышать 10 и 350 микросекунд соответственно; при этом допустим кратковременный ток от 25 до 100 кА, такие импульсные токи возникают при разряде молнии, когда она попадает в ЛЭП на расстоянии ближе 1,5 км к потребителю.
Устройства этого класса выполняются на разрядниках, а их установка осуществляется в главном распределительном щите или вводно-распределительном устройстве на вводе в здание.
УЗИП класса II предназначены для защиты от кратковременных импульсных помех, и устанавливаются в распределительные щиты. Они способны обеспечить защиту от импульсов перенапряжения с параметрами 8/20 мкс, при силе тока от 10 до 40 кА. В УЗИП этого класса применяются варисторы.
Поскольку ресурс варисторов ограничен, то в конструкцию УЗИП на их основе добавлен механический предохранитель, который просто отпаяет шунт от варистора, когда его сопротивление перестанет быть адекватным безопасному защитному режиму. Это, по сути, тепловая защита, предохраняющая устройство от перегрева и возгорания. Спереди на модуле есть связанный с предохранителем цветовой индикатор его состояния, и если варистор нужно будет заменить, то это легко можно будет понять.
Аналогичным образом устроены и УЗИП класса III, с тем лишь отличием, что максимальный ток внутреннего варистора не должен превысить 10 кА.
Такими же параметрами обладают и встроенные в бытовую технику традиционные схемы импульсной защиты, однако, при дублировании их внешним УЗИП класса III, вероятность преждевременного отказа техники сводится к минимуму.
Справедливости ради стоит отметить, что для надежной защиты оборудования важно установить УЗИПы как I, так и II и III классов защиты. Это необходимо соблюсти, так как мощное УЗИП класса I не сработает при коротких импульсах невысокого перенапряжения просто в силу своей малой чувствительности, а менее мощное не справится с большим током, с которым справится УЗИП класса I.
