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.
Нужно рассмотреть целесообразность установки УЗИП, устройства защиты от импульсных перенапряжений. По определению, УЗИП ставится не во все электрические цепи и целесообразность применения УЗИП нужно сделать еще на этапе проектирования.
Согласно нормативам, установка УЗИП обязательна:
Такие районы регламентированы и показаны на карте.
Не помешает установка УЗИП в районах с меньшим количеством гроз, электропитание которых осуществляется по оголенным проводам ВЛ.
Примечание: Если кабель электропитания дома заводится в дом от воздушной линии электропередачи под землей, установка УЗИП не требуется.
УЗИП делятся по классам. На вводе в дом, ставится УЗИП первого класса. УЗИП первого класса защищает сеть электропитания дома от прямого или не прямого попадания грозового разряда в линию электропередачи или в молниезащиту дома.
По правилам, ставится УЗИП в или (если оно предусмотрено проектом).
В настоящее время используются три типа УЗИП:
Устройства защиты от импульсных перенапряжений устанавливаются во вводном, вводно-распределительном или главном распределительном щите дома, а также в варианте установки в отдельном щите Щ.З.И.П. (щит защиты от импульсных перенапряжений).
Та как УЗИП подключается ко всем токоведущим проводам цепи электропитания, то УЗИП первого и второго класса, бывают двух полюсные (220 В) и четырех полюсные (380 В).
В этой статье познакомимся с тремя, общими схемами подключения УЗИП в электросети частного дома.
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.
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.
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 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.
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.
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.
В связи с широким распространением полупроводниковой и микропроцессорной техники в производстве и в быту, вопрос защиты электрических сетей до 1000 В от коммутационных и грозовых перенапряжений сегодня становится особенно актуальным.
Дорогостоящая техника, изготовленная с применением полупроводниковых элементов, имеет слабую изоляцию, и даже незначительные повышения напряжения способны вывести ее из строя.
В соответствии с принятой номенклатурой, ограничитель перенапряжения в электроустановках напряжением до 1 кВ называют устройством защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) .
Принцип действия схож с принципом работы ограничителей перенапряжения (ОПН) и основывается на нелинейности вольтамперной характеристики защитного элемента. При проектировании защиты от перенапряжений в сетях до 1 кВ, как правило, предусматривают 3 ступени защиты, каждая из которых рассчитана на определенный уровень импульсных токов и крутизны фронта волны.
УЗИП I - устройство 1-го класса устанавливается на вводе в здание и выполняет функцию первой ступени защиты от перенапряжений. Условия его работы наиболее тяжелые. Рассчитано такое устройство на ограничение импульсных токов с крутизной фронта волны 10/350 мкс. Амплитуда импульсных токов 10/350 мкс находится в пределах 25-100 кА, длительность фронта волны достигает 350 мкс.
УЗИП II - применяют в качестве защиты от перенапряжений, вызванных переходными процессами в распределительных сетях, а также в качестве второй ступени после УЗИП I. Его защитный элемент рассчитан на импульсные токи с формой волны 8/20 мкс. Амплитуда токов находится в пределах 15-20 кА.
УЗИП III - применяют для защиты сетей от остаточных явлений перенапряжений после устройств первого и второго класса. Устанавливаются они непосредственно у защищаемого оборудования и нормируются импульсными токами с формой волны 1,2/50 мкс и 8/20 мкс.
Устройство . Устройства всех классов имеют схожее строение, различие заключается в характеристиках защитного элемента. Конструктивно, устройство состоит из неподвижного основания и съемного модуля. Основание крепится непосредственно к конструкциям распределительных шкафов на DIN- рейку.
Съемный модуль с помощью ножевых контактов вставляется в основание. Такая конструкция позволяет легко производить замену испорченного нелинейного элемента самостоятельно. В качестве нелинейного элемента применяют варисторы и разрядники различного исполнения. Их исполнение может быть одно-, двух- и трехполюсным, выбор зависит от количества проводов защищаемой сети.
Зарубежные производители оснащают свои изделия индикаторами срабатывания устройства, что позволяет визуально определить его исправность. В более дорогих моделях могут быть установлены терморасцепители, предотвращающие перегрев нелинейного элемента, не рассчитанного на длительное протекание токов.
Схема подключения . Для выполнения защиты от перенапряжения в электроустановках, токоведущие части намеренно соединяют с заземляющим контуром посредством элементов с нелинейной вольтамперной характеристикой.
В электроустановках до 1000 В для применения УЗИП обязательно наличие заземляющего проводника РЕ с нормируемым сопротивлением. Несмотря на то, что сами устройства рассчитаны на большие импульсные токи и напряжения, они не пригодны для длительного повышения напряжения и протекания токов утечки.
Многими производителями рекомендуется защищать УЗИП с помощью плавких вставок. Данные рекомендации объясняются более быстрым срабатыванием предохранителей в зонах импульсных токов, а также частыми повреждениями контактной системы автоматических выключателей при разрывании токов такой величины.
При выполнении трехступенчатой защиты от перенапряжений, устройства должны располагаться на определенном расстоянии друг от друга по длине провода. Например, от УЗИП I до УЗИП II расстояние должно быть не менее 15 м по длине соединяющего их провода. Соблюдение этого условия позволяет селективно отработать разным ступеням, и надежно погасить все возмущения в сети.
Расстояние между II и III ступенью 5 метров. При невозможности разнести устройства на предписанные расстояния, применяют согласующий дроссель, представляющий собой активно-индуктивное сопротивление, эквивалентное сопротивлению проводов.
Особенности выбора . Самым ответственным участком защиты от грозовых перенапряжений является ввод в здание. УЗИП на первом участке ограничивает самый большой импульсный ток. Ножевые контакты для УЗИП первого класса представляют наибольшую уязвимость устройства.
Импульсные токи амплитудой 25-50 кА сопровождаются значительными электродинамическими силами, которые могут привести к выскакиванию сменного модуля из контактов ножевого типа и лишить электрическую сеть защиты от перенапряжения, поэтому, в качестве первой ступени лучше применять УЗИП без съемного модуля.
При выборе защиты первого класса отдавать предпочтение лучше устройствам на базе разрядников. Изготовление варисторного УЗИП на импульсный ток более 20 кА - дело достаточно трудоемкое и затратное, поэтому, их серийный выпуск неоправдан.
Так, если изготовителем на варисторном устройстве указан номинальный Iimp более 20 кА, следует с осторожностью отнестись к такой покупке; возможно производитель вводит вас в заблуждение.
УЗИП с применением разрядника с открытой камерой представляет опасность при срабатывании, поэтому его применение обосновано в распределительных шкафах, где присутствие человека исключено, когда защищаемый участок находится в работе. Протекание импульсного тока по контактам разрядника неизбежно ведет к зажиганию дуги.
В момент горения дуги, раскаленные газы и брызги расплавленного металла могут нанести вред здоровью и жизни человека. Шкаф, в котором установлено УЗИП такого типа, должен быть выполнен из несгораемого материала, с уплотнением всех отверстий.
В качестве нелинейного элемента могут применяться также разрядники со схемой поджигающего электрода. С помощью дополнительного электрода можно регулировать момент пробоя искрового промежутка и открытия разрядника. Применение поджигающего электрода позволяет снизить уровень импульсного напряжения и согласовать работу УЗИП разного класса.
Однако если схема управления поджигающим электродом выйдет из строя, на выходе получится защита с неизвестной характеристикой, возможно, не гарантирующая не только правильную работу, но работоспособность вообще.
Современный человек, стараясь идти в ногу со временем, насыщает свой дом электроприборами самого различного назначения. Но не каждый домовладелец задумывается о том, что в случае возникновения в сети даже очень кратковременного импульсного напряжения в разы превышающего номинальное, весь его дорогостоящий парк электротехники и электроники может выйти из строя. Что примечательно, воздействие перенапряжения на электрические потребители пагубно тем, что пораженная техника, как правило, становится не пригодной для ремонта. Данный форс-мажор пусть не часто, но гарантировано может быть следствием перенапряжения в сетях, вызванного воздействием грозы, аварийным перехлестом фаз или коммутационных процессов. Защитить электрооборудование призваны так называемые устройства защиты от импульсных перенапряжений. Принцип работы УЗИП, классы и разницу между ними мы рассмотрели ниже.
Аппараты защиты от импульсных напряжений являются широким и обобщенным понятием. В эту категорию устройств входят приборы, которые можно подразделить на классы:
Все устройства, обеспечивающие защиту от импульсных перенапряжений, подразделяются на два типа, которые отличаются по конструкции и принципу действия. Рассмотрим, как работает УЗИП разных видов.
Вентильные и искровые разрядники . Принцип действия разрядников основан на использовании эффекта искровых промежутков. В конструкции разрядников предусмотрен воздушный зазор в перемычке, соединяющей фазы линии электропередач с заземляющим контуром. При номинальной величине напряжения цепь в перемычке разорвана. В случае воздействия грозового разряда в результате в ЛЭП происходит пробой воздушного зазора, цепь между фазой и землей замыкается, импульс высокого напряжения уходит напрямую в землю. Конструкция вентильного разрядника в цепи с искровым промежутком предусматривает резистор, на котором происходит гашение высоковольтного импульса. Разрядники в большинстве случаев находят применение в сетях высокого напряжения.
Ограничители перенапряжения (ОПН) . Данные устройства пришли на смену устаревшим и громоздким разрядникам. Для того чтобы понять, как работает ограничитель, надо вспомнить свойства нелинейных резисторов, построен на использовании их вольтамперных характеристик. В качестве нелинейных резисторов в УЗИП используется варистор. Для людей не искушенных в тонкостях электротехники, немного информации, из чего состоит и как он работает. В качестве основного материала для изготовления варисторов служит оксид цинка. В смеси с окислами других металлов создается сборка, состоящая из p-n переходов, обладающая вольтамперными характеристиками. Когда величина напряжения в сети соответствует номинальным параметрам, ток в цепи варистора близок к нулю. В момент возникновения перенапряжения на p-n переходах происходит резкое возрастание тока, что приводит к снижению напряжения до номинальной величины. После нормализации параметров сети варистор возвращается в непроводящий режим и влияние на работу устройства не оказывает.
Компактные размеры ОПН и обширный диапазон разновидностей данных приборов позволили значительно расширить область применения этих устройств, появилась возможность использования УЗИП, как средства защиты от перенапряжений для частного дома или квартиры. Однако ограничители импульсных напряжений, собранные на варисторах, несмотря на все свои преимущества по сравнению с разрядниками, имеют один существенный недостаток – ограничение ресурса работы. Вследствие встроенной в них тепловой защиты, прибор после срабатывания остается некоторое время неработоспособным, по этой причине на корпусе УЗИП предусмотрено быстросъемное устройство, позволяющее произвести быструю замену модуля.
Более подробно о том, что такое УЗИП и какое у него назначение, вы можете узнать из видео:
Прежде чем приступить к установке и подключению средств защиты от импульсных перенапряжений, необходимо , иначе все работы по обустройству УЗИП потеряют весь смысл. Классическая схема предусматривает 3 уровня защиты. На вводе устанавливаются разрядники (УЗИП класс I) , обеспечивающие грозозащиту. Следующее защитное устройство класс II, как правило, ОПН подключается в распределительном щите дома. Степень его защиты должна обеспечивать снижение величины перенапряжения до параметров безопасных для бытовых приборов и сети освещения. В непосредственной близости электронных изделий, чувствительных к колебаниям по току и напряжению желательно класса III.
