Опубликовано

Защита от бросков напряжения в сети

Содержание

Основные причины возникновения

Чаще всего перенапряжение в сети 220 и 380 Вольт возникает по следующим причинам:

  1. Обрыв нулевого провода (на схеме обозначается как N, синего цвета). Предназначение нуля – выровнять ток в фазах и, соответственно, при его обрыве происходит резкий сбой, при котором одни потребители получают меньше необходимых 220 В, а часть больше, вплоть до 380 В. Если в первой случае техника будет просто некорректно работать, то во втором она попросту выйдет из строя, если не установлены устройства защиты.
  2. Невнимательность при подсоединении контактов в щите, в результате чего по жилам пойдет перенапряжение — не 220, а 380 В.
  3. Возникло импульсное напряжение вследствие попадания грозы в ЛЭП (именно поэтому рекомендуют отключать всю бытовую технику во время грозы, а также делать молниезащиту на участке).
  4. Питание от одной линии с мощным заводом, который в определенный момент может запустить все свое оборудование, создав огромный скачок тока в сети. Происходит редко, но все же отдельные случаи наблюдались.

Наглядный видео пример действия перенапряжения

Как Вы видите, на перегрузку в однофазной и трехфазной сети влияет множество факторов, в том числе и природные. Поэтому домашнюю проводку нужно обязательно защитить, чтобы не стать жертвой несчастного случая.

Устройства для решения проблемы

В современном мире существует множество различных устройств для защиты от перенапряжения в сети, которые несложно подключить своими руками. Изделия могут эффективно справляться не только с перепадами напряжения, но и со сверхтоками, которые также губительно влияют на домашнюю проводку.

Среди наиболее полезных для применения в доме и квартире выделяют:

  1. Стабилизатор. Является своего рода предохранителем, который контролирует напряжение в сети и в случае его предельно допустимого отклонения, отключает электричество в доме. К примеру, на своем опыте могут сказать, что стабилизатор не раз спасал нашу бытовую технику от перепадов, вызванных сварочными работами, проходящими вблизи. Устройства имеют диапазон от 150 В и до 240 В (как пример). Как только значение выйдет из данного диапазона, аппарат выключится. В то же время, когда все стабилизируется, устройство защиты снова включится. О том, как подключить стабилизатор напряжения, мы рассказывали в соответствующей статье!
  2. Реле. Вы наверняка не раз сталкивались с данными устройствами, которые являются миниатюрной версией стабилизатора. Чаще всего реле напряжения используется для защиты от перенапряжения одного определенного агрегата, к примеру, компьютера. Работает по такой же схеме, как и предыдущий вариант. Может быть представлен в виде электрической вилки (к примеру, ЗУБР), удлинителя и отдельного аппарата (всем известный Барьер), которое крепится на DIN-рейку щита. О том, как выбрать реле напряжения мы рассказывали в отдельной статье.
  3. Устройство защитного отключения. Широко применяется для защиты сети в домашних условиях, что вызвано высоким качеством работы и небольшой стоимостью. УЗО должно работать в паре со специальным датчиком ДПН, который будет подавать сигнал на отключение, если обнаружит перенапряжение в сети. Вместо этого можно использовать альтернативный вариант для защиты дома — устройство защиты многофункциональное. О том, как работает УЗМ-51М и как его подключить, мы рассказали в отдельной статье.
  4. Источник бесперебойного питания. Опять-таки, на своем опыте подтвержу его эффективность. Более десяти раз ИБП спасал мой компьютер от резкого выключения при срабатывании стабилизатора. «Бесперебойник» имеет небольшую стоимость, поэтому купить такой вариант защиты от перенапряжения при наличии ПК крайне необходимо.
  5. УЗИП. От импульсных напряжений (возникают во время грозы и могут вывести технику из строя) можно защититься, установив в доме УЗИП. Данный аппарат является достаточно популярным на сегодняшний день и широко применяется как в быту, так и на производстве. Более подробно о том, что такое УЗИП и как он работает, мы рассказали в отдельной статье, с которой настоятельно рекомендуем ознакомиться. Следует отметить, что УЗИП могут также называть модульными ограничителями перенапряжения (ОПН).

Купив все эти устройства для защиты от перенапряжения в сети 220 и 380 Вольт можно не беспокоиться о том, что пострадает бытовая техника, электропроводка и главное – Ваша жизнь в опасной ситуации.

Видео пример срабатывания ДПН и УЗО

Рекомендуем прочитать:

  • Как правильно подключить дифавтомат
  • Причины срабатывания УЗО
  • Что лучше поставить: дифавтомат или УЗО

В современных бытовых приборах используется чувствительная электроника, что делает эти устройства уязвимыми перед перепадами напряжения. Поскольку устранить их не представляется возможным, необходима надежная защита. К сожалению, ее организация не входит в сферу обязанностей службы ЖКХ, поэтому заниматься этим вопросом приходится самостоятельно. Благо защитные устройства приобрести сегодня не проблема. Прежде чем перейти к описанию и принципу действия таких приборов, кратко расскажем о причинах, вызывающих скачки напряжения, и их последствиях.

Что такое перепад напряжения и его природа?

Под этим термином подразумевается краткосрочное изменение амплитуды напряжения электросети, с последующим восстановлением, близким к первоначальному уровню. Как правило, длительность такого импульса исчисляется я миллисекундами. Существует несколько причин для его возникновения:

  1. Атмосферные явления в виде грозовых разрядов, они способны вызвать перенапряжение в несколько киловольт, что не только гарантированно выведет электроприборы из строя, а и может стать причиной пожара. В данном случае жителям многоэтажек проще, поскольку организация защиты от таких предсказуемых явлений входит в обязанности поставщиков электричества. Что касается частных домов (особенно с воздушным вводом), то их жильцы должны самостоятельно заниматься этим вопросом или обращаться к специалистам.
  2. Скачки при коммутационных процессах, когда происходит подключение-отключение мощных потребителей.
  3. Электростатическая индукция.
  4. Подключение определенного оборудования (сварка, коллекторный электродвигатель и т.д.).

На рисунке ниже наглядно продемонстрирована величина грозового (Uгр) и коммутационного импульса (Uк) по отношению к номинальному напряжению сети (Uн).

Грозовой и коммутационный импульсы перенапряжения

Для полноты картины следует упомянуть и о долгосрочном повышении и понижении напряжения. Причиной первого является авария на линии, в результате которой происходит обрыв нулевого провода, что вызывает повышение до 380 вольт (если быть точным, то ). Нормализовать ситуации никакими приборами не получится, потребуется ждать устранения аварии.

Длительное снижение напряжения можно часто наблюдать в сельской местности или дачных поселках. Это связано с недостаточной мощностью трансформатора на подстанции.

Защитные устройства

Существует несколько видов защитных устройств различающихся как по функциональности, так и по стоимости, одни из них обеспечивают защиту только одному бытовому прибору, другие – всем имеющимся в доме. Перечислим хорошо зарекомендовавшие себя и наиболее распространенные защитные устройства.

Сетевой фильтр

Наиболее простой и доступный по деньгам вариант защиты маломощного бытового оборудования. Отлично зарекомендовал себя при бросках до 400-450 вольт. На более высокие импульсы устройство не рассчитано (в лучшем случае оно примет удар на себя, спасая дорогостоящую аппаратуру).

Фильтр удлинитель Swen Fort Pro

Основной элемент защиты у такого устройства – варистор (полупроводниковый элемент изменяющий сопротивление в зависимости от приложенного напряжения). Именно он выходит из строя при импульсе более 450 В. Вторая важная функция фильтра – защита от высокочастотных помех (возникают при работе электродвигателя, сварки и т.д.) отрицательно влияющих на электронику. Третьим элементом защиты является плавкий предохранитель, срабатывающий при КЗ.

Не следует путать фильтры с обычными удлинителями, которые не обладают защитными функциями, но похожи по внешнему виду. Чтобы различить их достаточно посмотреть паспорт изделия, где приведены полные характеристики. Отсутствие такового должно само по себе вызывать подозрение.

Стабилизатор

В отличие от предыдущего типа приборы этого класса позволяют нормализовать напряжение в соответствии с номинальным. Например, установив границу в пределах 110-250 В, на выходе устройства будет стабильные 220 В. Если напряжение выйдет за пределы допустимого, прибор отключит питание и возобновит его подачу после нормализации работы электросети.

Стабилизатор EDR-1000 от производителя Luxeon

В некоторых случаях (например, в сельской местности) установка стабилизатора является единственным способом повысить напряжение до необходимой нормы. Бытовые стабилизаторы выпускают двух модификаций:

  • Линейные. Они предназначены для подключения одного или нескольких бытовых приборов.
  • Магистральные, устанавливаются на входе электросети здания или квартиры.

И первые, и вторые следует подбирать исходя из мощности нагрузки.

Источники бесперебойного питания

Основное отличие от предыдущего типа является возможность продолжения подачи питания подключенного устройства после срабатывания защиты или полного отключения электричества. Время работы в таком режиме напрямую зависит от емкости аккумуляторной батареи и мощности нагрузки.

Бесперебойный блок питания APC, модель SC-420

В быту эти устройства в основном используются для подключения стационарных компьютеров, чтобы при проблемах с электросетью не потерять данные. При срабатывании защиты ИБП будет продолжать подачу питания в течение определенного времени, как правило, не более получаса (зависит характеристик устройства). Этого времени вполне достаточно, чтобы сохранить необходимые данные и корректно отключить компьютер.

Современные модели ИБП могут самостоятельно управлять работой компьютера через USB интерфейс, например, закрыть текстовый редактор (предварительно сохранив открытые документы), после чего произвести отключение. Это довольно полезная функция, если пользователь при срабатывании защиты не находился рядом.

Устройства защиты от импульсных перенапряжений

Все перечисленные выше приборы обладают общим недостатком, у них не реализована действенная защита от импульса высокого напряжения. Если таковой произойдет, он, практически гарантированно выведет такие устройства из строя. Следовательно, защита должна быть организована таким образом, чтобы после срабатывания можно было оперативно привести ее в рабочее состояние. Этому требованию, как нельзя лучше отвечают УЗИП. На их основе организуется многоуровневая система защиты внутренних линий частного дома.

Одна из принятых классификаций таких устройств показана в таблице.

Таблица 1. Классификация УЗИП

Категория Применение
В (I) Обеспечивают защиту при прямом попадании грозового разряда по системе молниезащиты. Место установки – вводно-распределительное устройство или главный распределительный щит. Основная нормирующая характеристика – величина импульсного тока.
С (II) Защищают токораспределительную сеть от коммутационных импульсов, а также играют роль второго защитного уровня при грозовом разряде. Место установки – распределительный щит.
D (III) Обеспечивают последний уровень защиты, при которой к потребителям не допускаются остаточные броски напряжения и дифференциальные перенапряжения. Помимо этого обеспечивается фильтрация высокочастотных помех. Установка производится перед потребителем. Могут быть выполнены в виде модуля под розетку, удлинителя и т.д.

Пример организации трехуровневой защиты продемонстрирован ниже.

Организация трехуровневой защиты от перенапряжения

Конструктивные особенности УЗИП.

Устройство представляет собой платформу (С на рис. 6) со сменным модулем (В), внутри которого находятся варисторы. При их выходе из строя индикатор (А) изменит цвет (в приведенной на рисунке модели на красный).

УЗИП Finder (категория II)

Внешне устройство напоминает автоматический выключатель, крепление – такое же (под DIN рейку).

Особенностью УЗИП является необходимость замены модулей при выходе варисторов из строя (что довольно просто). Конструкция модулей выполнена таким образом, что установить их на платформу с другим номиналом невозможно. Единственный серьезный недостаток связан с характерными особенностями варисторов. Им необходимо время, чтобы остыть, многократное попадание грозового разряда существенно усложняет этот процесс.

Защитное реле

В завершении рассмотрим реле контроля напряжения (РКН), эти устройства способны обеспечить защиту бытовых приборов от коммутационных импульсов, перекоса фаз, а также пониженного напряжения. С грозовыми импульсами они не справятся, поскольку на это не рассчитаны. Их сфера применения – защита внутренней сети квартиры, то есть там, где обеспечение грозозащиты входит в обязанности электрокомпаний.

Приборы могут устанавливаться во входном щитке, непосредственно, после электросчетчика, для этого предусмотрено крепление под DIN рейку.

РКН можно подключать после счетчика

Помимо этого выпускаются модификации приборов в виде удлинителей питания и модулей под розетку.

РКН в виде удлинителя и розеточного модуля

Данные устройства могут произвести только защитное отключение сети, при выходе напряжения за указанные пределы (устанавливается кнопками управления), после нормализации электросети производится ее подключение. Стабилизация и фильтрация не производятся.

Предостережения

Не следует доверять защиту своего дома самодельным конструкциям, в бытовых условиях бывает проблематично настроить собранную схему и протестировать ее работу в критических режимах.

Не имея практического опыта в организации грозозащиты, не стоит пытаться реализовать ее самостоятельно, эту работу лучше доверить профессионалам. Рекомендуем рассматривать эту часть статьи как информационную.

Все манипуляции с электрощитом, приборами и проводкой необходимо проводить только при отключенном электропитании.

Грозовые перенапряжения

Смотреть что такое «Грозовые перенапряжения» в других словарях:

  • ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ — в электротехнике повышения напряжения, представляющие опасность для изоляции электрических установок. Различают внутренние перенапряжения (возникают при резких изменениях режима работы) и грозовые (связаны с ударом молнии непосредственно в… … Большой Энциклопедический словарь

  • перенапряжения — в электротехнике, повышения напряжения, представляющие опасность для изоляции электрических установок. Различают перенапряжения внутренние (возникают при резких изменениях режима работы) и грозовые (связаны с ударом молнии непосредственно в… … Энциклопедический словарь

  • устройство защиты от перенапряжения — Устройство, которое позволяет защитить оборудование от выбросов напряжения сети, возникающих при переключении нагрузки или внешних воздействиях (грозовые разряды и т.п.). и МЭК 60071 1 ). грозовые перенапряжения Перенапряжения, возникающие в результате… … Справочник технического переводчика

  • Электрооборудование с облегченной изоляцией — электрооборудование, предназначенное для применения только в электроустановках, не подверженных воздействию грозовых перенапряжений или в электроустановках, в которых грозовые перенапряжения не превышают амплитудного значения испытательного… … Официальная терминология

  • электрооборудование с облегченной изоляцией — Электрооборудование, предназначенное для применения только в электроустановках, не подверженных воздействию грозовых перенапряжений, или в электроустановках, в которых грозовые перенапряжения не превышают амплитудного значения одноминутного… … Справочник технического переводчика

1.2. Грозовые перенапряжения

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

М. В. Шкаруба

Изоляция и перенапряжения

в электрических системах

Конспект лекций

Омск – 2006

УДК 621.3.015.38+621.3.035.156

ББК 31.27

Ш 66

Рецензенты:

В. К. Федоров, д-р. техн. наук, профессор СибАДИ;

Б.Н. Коврижин, канд.техн.наук, и.о. начальника учебно-

производственного центра МУПЭП “Омскэлектро”

Шкаруба М. В

Ш 66 Изоляция и перенапряжения в электрических системах:

Конспект лекций. −Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006.− 64 c.

Конспект лекций содержит основы техники высоких напряжений и состоит из трех разделов. В первом разделе рассмотрены перенапряжения в электрических системах и защита от них, во втором – изоляция электротехнического оборудования, а в третьем приведены методы испытаний изоляции и испытательные установки, а также корона на проводах и защита от нее.

Конспект предназначен для студентов очной (дневной и вечерней), а также заочной форм обучения специальности 140211.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета

УДК 621.3.015.38+621.3.035.156

ББК 31.27

© М. В. Шкаруба, 2006

© Омский государственный

технический университет, 2006

I. ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ И

ЗАЩИТА ОТ НИХ

1.1. Общая характеристика перенапряжений в электрических сетях

Перенапряжение − это любое напряжение Umax, превышающее амплитуду наибольшего рабочего напряжения (Uнр) на изоляции элементов электрической сети. Вместо номинального напряжения взято наибольшее рабочее, которое может на 5−20 % превышать номинальное.

Обычно приводят не максимальное напряжение Umax, а кратность перенапряжений:

.

Перенапряжения в электрических сетях делятся на внешние и внутренние.

Внешние перенапряжениявозникают как при ударах молнии, так и при взрывах атомных и водородных бомб. О последних до сих пор мало статистических данных. В настоящее время их считают маловероятными и не учитывают при выборе защиты от перенапряжений.

Внутренние перенапряжениявызваны колебаниями электромагнитной энергии, запасенной в элементах электрической цепи или поступающей в нее от генераторов. Внутренние перенапряжения можно условно разбить на коммутационные и установившиеся.

Коммутационныеперенапряжения возникают при изменении схемы или параметров сети – коммутации в широком смысле слова. Коммутации могут быть плановыми (включение и отключение элементов сети) и аварийными (замыкание в сети и отключении их). Коммутационные перенапряжения заканчиваются одновременно с затуханием переходной составляющей и продолжаются обычно несколько периодов промышленной частоты.

После этого может возникнуть вторая стадия перенапряжений – установившийсярежим, это резонансы на промышленной частоте, а так же на высших и низших гармониках. Источниками высших и низших гармоник может быть нелинейный элемент сети, например, трансформатор при насыщении магнитопровода.

Трансформаторы при насыщении магнитопровода одновременно с появлением высших гармоник могут приводить к появлению феррорезонансов. Условием для возбуждения феррорезонансных колебаний является образование в сети контура, настроенного на частоту одной из гармоник.

Установившийся режим может длиться от долей секунды до нескольких секунд.

1.2.1. Молния как источник грозовых перенапряжений

Молния представляет собой большую опасность для электрических сетей: линии электропередачи благодаря своей протяженности часто поражаются ударами молнии, что приводит к перекрытиям изоляции и аварийным отключениям линий. Возникающие при этом электромагнитные волны со скоростью, близкой к скорости света, распространяются вдоль линии, доходят до подстанции и могут вызывать опасные перекрытия и повреждения изоляции электрооборудования.

Молнии предшествует процесс разделения и накопления электрических зарядов в грозовых облаках, происходящий в результате возникновения в облаках мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров. В результате в облаке образуются зоны положительной и отрицательной полярности с различной плотностью зарядов. Если в каком-то месте облака напряженность электрического поля превышает электрическую плотность воздуха, то возникает разряд молнии. Причем 60−70 % разрядов возникает между облаками и внутри облаков и лишь 30−40 % поражают землю.

Как показали исследования в большинстве случаев (до 90 %) молнии бывают отрицательными, т.е. переносят на землю отрицательный заряд. Разряд молнии на землю на начальной стадии, представляет собой относительно медленно движущийся слабо светящийся канал (лидер). Напряженность электрического поля на его головке определяется собственными зарядами лидера и находящимися под облаками скоплениями объемных зарядов. Траектория движения лидера на этой стадии не связана с земными объектами.

Но по мере опускания лидера все большее влияние начинают оказывать скопления зарядов на земле на возвышающихся объектах. Начиная с определенной высоты головки лидера (высота ориентировки), напряженность поля по одному из направлений оказывается наибольшей, и происходит ориентирование лидера на один из наземных объектов. При этом преимущественно поражаются высокие объекты и участки земли с повышенной проводимостью (избирательная поражаемость).

С очень высоких объектов навстречу лидеру развиваются встречные лидеры, наличие которых способствует ориентированию молнии на данный объект.

Избирательная поражаемость лидера используется для молниезащиты линий электропередач (ЛЭП) и подстанций. На подстанции устанавливаются несколько высоких хорошо заземленных молниеотводов, над ЛЭП помещается трос, связанный с землей.

Перекрытие воздушного промежутка между головкой лидера и наземным объектом является переходом от первой (лидерной стадии) к главной стадии разряда молнии (стадии нейтрализации), в которой происходит нейтрализация отрицательного заряда лидера положительными зарядами. При этом через пораженный молнией объект протекает ток, который представляет собой «ток молнии». При отрицательной полярности молнии вслед за главным разрядом обычно наблюдаются повторные разряды по тому же каналу. Повторные разряды вызываются тем, что нейтрализация зарядов канала приводит к разрядам соседних заряженных областей облака. Примерно 50 % ударов молнии содержит не более 2−3 импульсов, но может быть до десяти и более. Причем повторный импульс – импульс тока близок к стандартному с параметрами 1,2/50 мкс. Положительные удары молнии (10 %) бывают, как правило, однократные.

Для расчета грозозащиты ЛЭП и подстанций необходимы следующие параметры молний:

1) интенсивность грозовой деятельности;

2) амплитуда тока молнии;

3) крутизна тока молнии на фронте.

Поясним, зачем нужны амплитуда и крутизна тока молнии. Например, при ударе молнии в молниеотвод на портале (рис.1.1.) напряжение на вершине определяется по формуле

UB=IМ∙RЗ+LO∙+MO∙, (1.1)

где IМ− ток молнии;− крутизна тока молнии;LO− индуктивность молниеотводов (удельная индуктивностьмкГн/м);MO− взаимная индуктивность между током молнии и током в молниеотводе

(Мо = 0,2 мкГн/м); RЗ- сопротивление заземления молниеотвода

Рис.1.1. Удар молнии в молниеотвод на портале

По данным ЛПИ вероятность возникновения тока больше расчетного (IМP) можно приближенно оценить по формуле

P(IМ≥IМ.Р.) ≈ е(-0,04∙Iм.р.).

Вероятность возникновения импульса с крутизной выше расчетной можно оценить по формуле

.

Длительность импульса тока молнии изменяется в относительно узких пределах: от 20 до 80−100 мкс. На основании этих измерений международной электротехнической комиссии МЭК был принят стандартный импульс = 1,20,36 мкс и=5010 мкс. Условно его обозначают символом 1,2/50.

Между амплитудой и крутизной фронта тока молнии имеется слабая корреляционная связь: большим токам соответствует большая крутизна, однако данных пока недостаточно, поэтому принято считать инезависимыми случайными величинами, поэтому вероятность молнии с параметрамиIM≥IMPиопределяются как произведение вероятностей:

P(IМ≥IМ.Р;) =,

где IMв кА,IMPв кА/мкс (расчетные ток и крутизна тока молнии).

Число прямых ударов молнии (NПУМ) в наземные объекты можно оценить по данным опыта эксплуатации по формуле

NПУМ ≈nч∙nS∙Sp,

где n− число грозовых часов в году,n− среднее удельное число ударов в течение одного грозового часа на площадь в 1 км2;S− расчетная площадь сооружения, км2.

Интенсивность грозовой деятельности в различных климатических районах различается очень сильно. Число грозовых часов в году определяется на основании многолетних наблюдений метеорологических станций, обобщение которых позволяет составить карты грозовой деятельности, на которые наносятся линии равной продолжительности гроз. В Омской области по этой карте наблюдается 40−60 часов в год.

Другой характеристикой грозовой деятельности является среднее число ударов молнии в 1 км2поверхности земли за 1 грозовой час. Ряд источников приводит значениеn=0,067 Однако в руководящих указаниях принято значениеn=0,06 .

Возвышающиеся над поверхностью земли объекты вследствие развития с них встречных лидеров собирают удары молнии с площади, превышающей их территорию. Число ударов молнии в подстанцию длиной А , шириной В и высотой h (размеры в метрах) может быть рассчитано по формуле

N = nЧ∙nS∙(A+7h)∙(B+7h)∙10−6. (1.2)

Число ударов молнии в ЛЭП длиной и высотойhравно

N = nЧ∙nS∙7h∙∙10−3, (1.3)

здесь в километрах, h в метрах.

Из этой формулы видно, что в ЛЭП из-за большой высоты опор будет собирать больше ударов молнии, чем реальная площадь ее. Ведь здесь вместо реальной ширины ЛЭП взята ширина по 3,5h в каждую сторону от оси ЛЭП.

1.2.2. Грозозащита воздушных линий

В качестве основных средств грозозащиты ЛЭП используются:

− подвеска заземленных тросов;

− снижение сопротивления заземления опор;

− повышение импульсной прочности линейной изоляции;

− защита отдельных опор и участков с ослабленной изоляцией.

Резервным способом повышения надежности и бесперебойности работы ЛЭП является автоматическое повторное включение (АПВ).

Линии электропередач могут выполняться на металлических, железобетонных и деревянных опорах. От материала опор сильно зависит грозоупорность ЛЭП, а, следовательно, необходимость защиты ЛЭП тросами. На линиях на деревянных опорах трос не применяется, так как они имеют высокую грозоупорность и без тросов.

ЛЭП на металлических опорах с грозозащитными тросами

В ПУЭ записано: “ЛЭП 110–500 кВ с металлическими и железобетонными опорами должны быть защищены от прямых ударов молнии тросами по всей длине.” Вероятность прорыва молнии (РПР) мимо троса можно приближенно оценить по эмпирической формуле

.

Как видно из формулы, с увеличением высоты опоры необходимо уменьшать защитный угол α: так, при h=20 м обычно применяется

α =30°, при h=30–35 м применяется α =25°, приh=50 м − α =20°.

Это обеспечивает вероятность прорыва РПР≈0,002−0,003. Дальнейшее уменьшение угла может привести к схлестыванию троса и провода во время гололеда в случае пляски проводов.

А теперь оценим грозоупорность таких ЛЭП. Под показателем грозоупорности (надежности) понимают число безаварийных лет n, т.е. обратную величину математического ожидания числа отключений Nв год n=1/N. Обычно его относят к 100 км линии и 100 грозовым часам.

При анализе грозоупорности необходимо учитывать 3 расчетных случая (рис. 1.2а):

1) прорыв молнии на провод (минуя трос) с последующим перекрытием изоляции на опоре;

2) удар молнии в вершину опоры с последующим перекрытием между опорой и проводом;

3) удар молнии в середину пролета с последующим перекрытием между тросом и проводом.

а) б)

Рис. 1.2. Расчетные случаи при ударе молнии в ЛЭП:

а) на металлических опорах; б) на деревянных опорах

Число ударов N молнии в ЛЭП распределим между этими тремя крайними случаями следующим образом:

; .

Из всех ударов молнии нас будут интересовать только те, которые будут завершаться перекрытием изоляции, а затем переходом искрового замыкания в дуговое, приводящее к срабатыванию релейной защиты и отключению ЛЭП.

1. При прорыве молнии мимо троса число отключений можно оценить по формуле

,

где N– число ударов молнии в ЛЭП;− вероятность того, что ток молнии превысит уровень грузоупорности данной ЛЭП, то есть приведет к импульсному перекрытию гирлянды;− вероятность прорыва молнии мимо троса;− вероятность перехода искрового замыкания в дуговое (для ЛЭП 35кВ;для ЛЭП 110 кВ и выше).

2. При ударе молнии в вершину опоры напряжение на вершине можно оценить по формуле (1.1). Напряжение на гирлянде не должно превышать , где− напряжение на проводе с учетом индуцированной волны при ударе молнии. Перекрытие гирлянды будет в случае, когда будет большой ток молнии, либо большая крутизна тока, либо и то и другое одновременно. Более наглядно перекрытие гирлянды оценивается кривой опасных волн (рис. 1.3). Все волны выше кривой приводят к перекрытию гирлянды, а все волны ниже ее – безопасны.

Рис. 1.3. Кривая опасных волн

Число отключений ЛЭП при ударе в вершину опоры равно:

,

где − вероятность, что удар молнии лежит выше кривой опасных волн. Вероятностьобычно берут упрощенно .

3. Опыт эксплуатации показывает, что вероятность перекрытия в этом случае пренебрежимо мала, так как трос перетягивается, т.е. расстояние в середине пролета между тросом и проводом максимально. Значит .

Однако большинство ЛЭП имеют автоматическое повторное включение (АПВ), т.е. после отключения ЛЭП в бестоковую паузу дуга гаснет и при повторном включении ЛЭП опять нормально работает. Аварийными будут только те случаи, когда дуга загорится вновь:

, ,

где − коэффициент успешности АПВ, значения которого равно=0,75−0,9.

Показатель грузоупорности равен .

Для ЛЭП 110 кВ n=7−15 лет , т.е. 1 раз в 7−15 лет на ЛЭП возникает авария, в результате которой, например, происходит разрушение гирлянды и невозможно включить ЛЭП без ремонта.

ЛЭП на деревянных опорах без троса

Линии на деревянных опорах тросами не защищаются, поэтому практически все удары молнии попадают в провода. Из всех ударов молнии нас будут интересовать только те, которые будут завершаться перекрытием изоляции и переходом искрового замыкания в дуговое.

Возможны 3 случая перекрытия (рис.1.2б):

1− перекрытие с провода на землю; 2− перекрытие на ж/б пасынок;

3− перекрытие по гирляндам.

Расчеты и опыт эксплуатации показал, что наиболее вероятным и опасным оказывается перекрытие между проводами по гирляндам и траверсе. Число отключений в этом случае оценивается:

,

где − вероятность того, что ток молнии превысит уровень грузоупорности;− вероятность перехода искрового замыкания в дуговое (на 35 кв=; на 110 кв=).

Здесь уровень грозоупорности равен:

где km− коэффициент связи между проводами; он учитывает, что при пробегании волны по одному проводу на другом индуцируется волна той же полярности. Показатель грозоупорности для ЛЭП – 35 кВ, например, получается n=14 лет .

В СССР и России благодаря дешевизне и сравнительно высокой грозоупорности линии на деревянных опорах получили распространение для напряжений 6, 10 и 35 кВ. Однако на таких линиях наблюдались случаи тяжелого расщепления и поломки опор , иногда до 5−6 опор.

Защита ЛЭП искровыми промежутками или трубчатыми

разрядниками

В ПУЭ предусмотрены дополнительные меры по повышению грозоупорности ЛЭП. На некоторых опорах необходимо поставить трубчатые разрядники (при наличии АПВ – допускается установка защитных промежутков):

а) при пересечении ЛЭП между собой и с линиями связи;

б) единичные металлические и железобетонные опоры на ЛЭП с деревянными опорами;

в) высокие переходные опоры через реку, железную дорогу и т.д.

Причем сопротивления заземляющих устройств этих опор не должно превышать: при ; при,

где − удельное сопротивление грунта.

Грозозащита слаботочных сетей (poe / ethernet)

Развитие современных технологий ведет к росту количества, длины и пропускной способности слаботочных сетей в наших домах. Являясь составной частью инженерных систем здания, они определяют его структуру безопасности и информационного обеспечения, работу телекоммуникационных комплексов и качество связи. Слаботочной называется сеть, кабелям которой протекают информационные токи напряжением от 12 В до 24 В.

Слаботочные сети используются для создания:

  • сетей связи (интернет, телевидение, радио, оповещение);
  • систем контроля доступа (видеонаблюдение, охранная сигнализация, система контроля и управления доступом (СКУД));
  • систем пожарной безопасности;
  • систем диспетчеризации и управления инженерными системами и механизмами;
  • автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУТП);
  • систем антитеррористической защищенности и безопасности объекта капитального строительства.

Основными требованиями для слаботочных сетей является высокая надежность, масштабируемость, бесперебойная работа и экономичность при монтаже и эксплуатации.

Риски повреждения слаботочных сетей и подключенного к ним оборудования

Выделяют следующие причины перенапряжения слаботочных сетей во время грозы:

  • непосредственный удар в них молнии;
  • попадание разряда рядом с домом или в систему его внешней молниезащиты.

Грозозащита слаботочных сетей от внешних проявлений молнии необходима в случаях, когда они выведены за пределы дома. Примерами могут служить: телевизионная антенна, соединенная с приемно-передающим оборудованием, а так же кабели, проложенные для соединения отдельных строений с домашней компьютерной сетью, управления автоматическим поливом или организации системы видеонаблюдения. Рассчитанная на прием высокочастотного сигнала, антенна выступит приёмником электромагнитных импульсов, вызванных разрядом молнии. При монтаже сети под землей, прямого попадания в нее молнии удастся избежать.
Однако, такой способ молниезащиты слаботочных сетей не спасет от вторичного воздействия в виде электромагнитного поля, возникающего при ударе в непосредственной близости от объекта защиты.

Помимо кондуктивных импульсов во время грозы, перенапряжения слаботочных сетей может возникать по причине индуктивных наводок на длинные линии. При изменении тока в одном из проводников, имеющим электрическую связь с другими проводниками, в них возникает индуктивное напряжение. Индуктивная наводка имеет прямую зависимость от длины линии сети. В целях ее уменьшения, применяют скручивание и экранирование пары сигнальных проводов, с заземлением самих экранов. В случаях, когда слаботочная сеть соединяет объекты с разными, независимыми друг от друга, системами заземления, протекание по ней уравнивающего тока от одной системы к другой, в результате короткого замыкания питающей электросети одного из объектов, может привести к повреждению не только оборудования, но и самой линии. При небольшой разности потенциалов между отдельными системами заземления, их длительность может быть весьма значительна.

Требования к грозозащите слаботочных сетей

Грозозащита слаботочных сетей подразумевает организацию внешней системы молниезащиты для оборудования, находящегося за пределами строения и внутреннюю – для защиты от импульсного перенапряжения коаксиальных цепей внутри.
Во избежание повреждения оборудования, вынесенного за пределы строения, устанавливают возвышающийся над ним молниеотвод таким образом, чтобы защищаемый объект находился в зоне его защиты. Основание оборудования заземляют, соединяя его с молниеотводами.

Выполняя внутреннюю молниезащиту слаботочных сетей, необходимо оборудовать все входящие/выходящие из дома кабели специальными приборами защиты, предохраняющими от возникновения импульсных перенапряжений. Применение устройств защиты от импульсного перенапряжения (УЗИП) позволяет эффективно обезопасить слаботочную сеть и подключенное к ней оборудование, предупредить аварийную ситуацию и максимально снизить повреждения, даже при прямом попадании разряда молнии. Для этого устройства защиты должны: обеспечивать требуемое остаточное напряжение, выдерживать импульсный ток заданной формы и безопасно отводить грозовой разряд. Надежную защиту обеспечит только то устройство защиты, которое выбрано и установлено в строгом соответствии с нормативными требованиями.

Российских стандартов по применению УЗИП для грозозащиты слаботочных сетей на сегодняшний день пока не разработано, поэтому можно воспользоваться международными (см. Приложение № 1). Если защитные устройства силовых линий устанавливают параллельно цепи, то для коаксиальных монтируют на вводе в здание или в разрыв кабеля, либо непосредственно возле оборудования. Обязательным условием является организация в доме системы заземления. Для примера, разберем грозозащиту системы видеонаблюдения. Видеокамеры зачастую находятся на значительном расстоянии от концентратора, а кабели проходят по воздуху, за счет чего наведённые импульсные токи на них имеют значительную величину: проход импульса по одной из линий приведет к выходу из строя всей системы. Поэтому слаботочные УЗИП устанавливают около видеооборудования, монтируя их с обоих концов кабеля.

Способы защиты слаботочных сетей

Для внутренней грозозащиты слаботочных сетей применяют приборы, действие которых основано на двух технических решениях: газовый разряд и четвертьволновая технология.

Газовые разрядники устроены следующим образом: керамическая втулка, наполненная газом под низким давлением, закрывается с обеих сторон электродами, один из которых подключается к центральной кабельной жиле, другой — соединяется с заземленным корпусом устройства.

Схема размещения газового разрядника

Проходя через сеть, высокочастотный импульс приводит к пробитию разрядника, в результате чего происходит краткосрочное перекрытие центральной жилы на землю. Когда напряжение уменьшается до уровня гашения дуги, разрядник становится не проводящим.
Схема грозозащиты слаботочных сетей, выполненная параллельным подключением газового разрядника к линии, изображена на рисунке ниже.

Схема грозозащиты слаботочных сетей с параллельным подключением газового разрядника к линии

Она отличается простотой исполнения и экономичностью, имея при этом достаточно высокую выходную мощность импульса и небольшую ёмкость. Применялась еще в середине XX века для грозозащиты аналогового оборудования. Сегодня активно используется для электроприборов, функционирующих в широком диапазоне частот.
Принцип действия грозоразрядника на основе четвертьволновой технологии состоит в следующем: длина отрезка проводника, проложенного от жилы кабеля на землю, равна одной четвертой длины волны сигнала. Таким образом, отрезок шунтирует сигнал данной частоты на землю, представляя для него бесконечное сопротивление.

Принцип действия грозоразрядника на основе четвертьволновой технологии

Для данного способа грозозащиты характерно малое время срабатывания и небольшая ёмкость, что в совокупности с высокой импульсной мощностью при низком остаточном напряжении, позволяет защитить электрооборудование не только от слабых наведённых импульсов, но и в случае прямого попадания разряда молнии. Слаботочное оборудование крайне чувствительно к перенапряжениям. Повысить эффективность его защиты можно, применив устройства, сочетающие газовый разрядник, принимающий на себя основную энергию импульса, с другими пассивными элементами: варисторами, резисторами, и др. Комбинированные УЗИП изготавливают для одновременного подключения нескольких каналов, но, как правило, в количестве не более 4-х.

Такая схема позволяет защитить слаботочную сеть даже при попадании в нее сетевого питания: похождение тока КЗ приводит к нагреву и пробитию разрядника, в результате чего происходит закорачивание двух проводов между собой и на землю. Данный способ надёжно защищает слаботочное оборудование и одновременно отключает автоматическую защиту питающей сети, сигнализируя о неисправности. Если в здании организована СКС, то размещают приборы защиты в слаботочных щитах, на дин рейки. При отсутствии таковых, используют устройства свободной установки, представляющие собой закрепленные на стене коробки.

Защита слаботочных сетей на примере оборудования Leutron

Защита от перенапряжений в сетях передачи данных выполняется с помощью УЗИП. В среде компьютерных сетей от последствий удара молнии необходимо защищать серверы, персональные компьютеры и сетевое оборудование, такое как маршрутизаторы, коммутаторы, патч-панели, конвертеры. Для защиты этих устройств используются специальные УЗИП для слаботочных сетей Leutron DataPro x8RJ45-19″, монтируемые в телекоммуникационную стойку стандарта 19”.

Устройство Leutron DataPro x8RJ45-19″

В зависимости от модификации, устройство имеет от 8 до 48 защищенных портов RJ45, к которым подключаются кабели категории 5e, используемые в сетях стандарта Ethernet. Таким способом от перенапряжений удается обезопасить оборудование ЦОД, вычислительных центров и серверных комнат.

Когда нужно защитить единичный компьютер, сервер, коммутатор или другое подключаемое к сети устройство, используется УЗИП Leutron DataPro RJ45 (f/f), включение которого производится в разрыв сетевого кабеля.

Устройство Leutron DataPro RJ45 (f/f)

Данное устройство подходит для применения как в домашних условиях, так и на предприятиях. УЗИП Leutron DataPro RJ45 PoE Alu обладает теми же характеристиками, но предназначен для сетей с технологией PoE, позволяющей передавать электроэнергию для питания и данные по общему кабелю к устройствам IP-телефонии, точкам доступа, IP-камерам и др.

Устройство Leutron DataPro RJ45 PoE Alu

Все устройства защиты от импульсных перенапряжений, оборудованные портами RJ45, совместимы со стандартами Ethernet 10Base-T, 100BASE-T, вплоть до 1000BASE-T. УЗИП другого типа — Leutron DataPro 10LSA (PTC), монтируется в кабельных кроссах и используется для защиты телефонных сетей и сетей передачи данных.

Устройство Leutron DataPro 10LSA (PTC)

Такие УЗИП устанавливаются в используемые для соединения и кроссировки кабелей плинты LSA с нормально-замкнутыми и неразмыкаемыми контактами. Устройство предназначено для защиты 10 пар линий, а его рабочая схема обеспечивает грубую и тонкую защиту от продольных и поперечных перенапряжений (между парой и соседними гнездами). Имеются модификации, рассчитанные на напряжение 12 и 24 В, а также содержащие дополнительные PTC термисторы. Для защиты от перенапряжений одной пары линий напряжением от 5 до 150 В (в том числе 12 и 24 В) применяется УЗИП для слаботочных сетей Leutron DataPro 1LSA.

Устройство Leutron DataPro 1LSA

Приложение № 1

Международные стандарты по применению УЗИП для грозозащиты слаботочных сетей:

  1. ГОСТ Р МЭК/IEC 62305: Менеджмент риска. Защита от молнии.
  2. ГОСТ IEC 61643-21-2014: Устройства защиты от перенапряжений, подсоединенные к телекоммуникационным и сигнализационным сетям. Требования к эксплуатационным характеристикам и методы испытаний.
  3. IEC 61643-22: Выбор и установка устройств для защиты от перенапряжений, используемых в коммуникационных сетях. Определяет порядок проведения оценки рисков.

Вам требуется помощь в выборе устройств защиты от импульсного перенапряжения? Обратитесь к нашим техническим специалистам и они с радостью вам помогут!

Любая гроза представляет собой нешуточную угрозу для жизни и безопасности людей, а также целостности и сохранности зданий и электроообрудования в них. Недаром же эти два слова звучат почти одинаково. Обезопасить себя и свое имущество можно при помощи специально смонтированной молниезащиты, однако количество и назначение элементов такой защиты порой ставит неискушенных людей в тупик. Например, грозоразрядник, или ограничитель перенапряжения, что это такое и зачем он нужен в системах молниезащиты?

Ограничители перенапряжения: принцип работы

Грозоразрядник принцип действия имеет следующий: он перехватывает высокие токи, создающие угрозу поломки электрооборудования и возгорания, и отводит их в землю по заземляющему устройству. При этом нужно помнить, что монтаж одного только ограничителя на антенну будет мало эффективным, необходимо позаботиться о том, чтобы подобные устройства были установлены и в доме, чтобы защитить оборудование от воздействия остаточных импульсных токов.

От того, как работает ограничитель перенапряжения и какие именно защитные функции он выполняет, зависит класс защиты и тип устройства. Грозоразрядники имеют несколько классов защиты:

  • ОПН 1 типа защищают от прямого удара молнии.

  • ОПН 2 типа защищают от перенапряжений, возникших при разрядах атмосферного электричества, прошедших через устройства защиты, а также коммутационных перенапряжений.

  • ОПН 3 типа защищают от перенапряжений, возникших в электрооборудовании внутри здания.

Классы ограничителей перенапряжения присваиваются после проведения соответствующих испытаний устройств.

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».

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *