Устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) — устройство предназначенное для защиты электрической сети и электрооборудования от перенапряжений которые могут быть вызваны прямым или косвенным грозовым воздействием, а так же переходными процессами в самой электросети.
Другими словами УЗИПы выполняют следующие функции :
— Защита от удара молнии электрической сети и оборудования, т.е. защита от перенапряжений вызванных прямыми или косвенными грозовыми воздействиями
— Защита от импульсных перенапряжений вызванных коммутационными переходными процессами в сети, связанных с включением или отключением электрооборудования с большой индуктивной нагрузкой, например силовых или сварочных трансформаторов, мощных электродвигателей и т.д.
— Защита от удаленного короткого замыкания (т.е. от перенапряжения возникшего в результате произошедшего короткого замыкания)
УЗИПы имеют различные названия: ограничитель перенапряжений сети — ОПС (ОПН) , ограничитель импульсных напряжений — ОИН , но все они имеют одинаковые функции и принцип работы.
Принцип работы и устройство защиты УЗИП
Принцип работы УЗИПа основан на применении нелинейных элементов, в качестве которых, как правило, выступают варисторы.
Варистор — это полупроводниковый резистор сопротивление которого имеет нелинейную зависимость от приложенного напряжения.
Ниже представлен график зависимости сопротивления варистора от приложенного к нему напряжения:
Из графика видно, что при повышении напряжения выше определенного значения сопротивление варистора резко снижается.
Как это работает на практике разберем на примере следующей схемы:
На схеме упрощенно представлена однофазная электрическая цепь, в которой через автоматический выключатель подключена нагрузка в виде лампочки, в цепь так же включен УЗИП, с одной стороны он подключен к фазному проводу после , с другой — к заземлению.
В нормальном режиме работы напряжение цепи составляет 220 Вольт, при таком напряжении варистор УЗИПа обладает высоким сопротивлением измеряющимся тысячами МегаОм, настолько высокое сопротивление варистора препятствует протеканию тока через УЗИП.
Что же происходит при возникновении в цепи импульса высокого напряжения, например, в результате удара молнии (грозового воздействия).
На схеме видно что при возникновении импульса в цепи резко возрастает напряжение, что в свою очередь вызывает мгновенное, многократное уменьшение сопротивления УЗИПа (сопротивление варистора УЗИПа стремится к нулю), уменьшение сопротивление приводит к тому, что УЗИП начинает проводить электрически ток, закорачивая электрическую цепь на землю, т.е. создавая короткое замыкание которое приводит к срабатыванию автоматического выключателя и отключению цепи. Таким образом ограничитель импульсных перенапряжений защищает электрооборудование от протекания через него импульса высокого напряжения.
Классификация УЗИП
Согласно ГОСТ Р 51992-2011 разработанного на основе международного стандарта МЭК 61643-1-2005 есть следующие классы УЗИП:
УЗИП 1 класс — (так же обозначается как класс B ) применяются для защиты от непосредственного грозового воздействия (удара молнии в систему), атмосферных и коммутационных перенапряжений. Устанавливаются на вводе в здание во вводно-распределительном устройстве (ВРУ) или главном распределительном щите (ГРЩ). Обязательно должен устанавливаться для отдельно стоящих зданий на открытой местности, зданий подключаемых к воздушной линии, а так же зданий имеющих молниеотвод или находящихся рядом с высокими деревьями, т.е. зданиях с высоким риском оказаться под прямым или косвенным грозовым воздействием. Нормируются импульсным с формой волны 10/350 мкс. Номинальный разрядный ток составляет 30-60 кА.
УЗИП 2 класс — (так же обозначается как класс С ) применяются для защиты сети от остатков атмосферных и коммутационных перенапряжений прошедших через УЗИП 1-го класса. Устанавливаются в местных распределительных щитках, например во вводном щитке квартиры или офиса. Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс Номинальный разрядный ток составляет 20-40 кА.
УЗИП 3 класс — (так же обозначается как класс D ) применяются для защиты электронной аппаратуры от остатков атмосферных и коммутационных перенапряжений, а так же высокочастотных помех прошедших через УЗИП 2-го класса. Устанавливаются в разветвительные коробки, розетки, либо встраивается непосредственно в само оборудование. Примером использования УЗИПа 3-го класса служат сетевые фильтры применяемые для подключения персональных компьютеров. Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс. Номинальный разрядный ток составляет 5-10 кА.
Маркировка УЗИП — характеристики
Характеристики УЗИП:
- Номинальное и максимальное напряжение — максимальное рабочее напряжение сети на работу под которым рассчитан УЗИП.
- Частота тока — рабочая частота тока сети на работу при которой рассчитан УЗИП.
- Номинальный разрядный ток (в скобках указана форма волны тока) — импульс тока с формой волны 8/20 микросекунд в килоАмперах (кА), который УЗИП способен пропустить многократно.
- Максимальный разрядный ток (в скобках указана форма волны тока) — максимальный импульс тока с формой волны 8/20 микросекунд в килоАмперах (кА) который УЗИП способен пропустить один раз не выйдя при этом из строя.
- Уровень напряжения защиты — максимальное значение падения напряжения в килоВольтах (кВ) на УЗИПе при протекании через него импульса тока. Данный параметр характеризует способность УЗИПа ограничивать перенапряжение.
Схема подключения УЗИП
Общим условием при подключении УЗИП являетя наличие со стороны питающей сети предохранителя или соответствующего нагрузке сети, поэтому все представленные ниже схемы будут включать в себя автоматические выключатели (схему подключения УЗИП в электрощитке ):
Схемы подключения УЗИП (ОПС, ОИН) в однофазную сеть 220В (двухпроводную и трехпроводную):
Схемы подключения УЗИП (ОПС, ОИН) в трехфазную сеть 3800В
Принципиальные схемы подключения УЗИП выглядят следующим образом.
Для всех нас стало нормой, что в распределительных щитках жилых домов, обязательна установка вводных автоматических выключателей, модульных автоматов отходящих цепей, УЗО или дифф.автоматов на помещения и оборудование, где критичны возможные утечки токов (ванные комнаты, варочная панель, стиральная машинка, бойлер).
Помимо этих обязательных коммутационных аппаратов, практически никому не требуется объяснять, зачем еще нужно реле контроля напряжения.
УЗИП или реле напряжения
Устанавливать их начали все и везде. Грубо говоря оно защищает вас от того, чтобы в дом не пошло 380В вместо 220В. При этом не нужно думать, что повышенное напряжение попадает в проводку по причине недобросовестного электрика.
Вполне возможны природные явления, не зависящие от квалификации электромонтеров. Банально упало дерево и оборвало нулевой провод.
Также не забывайте, что любая ВЛ устаревает. И даже то, что к вашему дому подвели новую линию СИПом, а в доме у вас смонтировано все по правилам, не дает гарантии что все хорошо на самой питающей трансформаторной подстанции – КТП.
Там также может окислиться ноль на шинке или отгореть контакт на шпильке трансформатора. Никто от этого не застрахован.
Именно поэтому все новые электрощитки уже не собираются без УЗМ или РН различных модификаций.
Что же касается устройств для защиты от импульсных перенапряжений, или сокращенно УЗИП, то у большинства здесь появляются сомнения в необходимости их приобретения. А действительно ли они так нужны, и можно ли обойтись без них?
Подобные устройства появились достаточно давно, но до сих пор массово их устанавливать никто не спешит. Мало кто из рядовых потребителей понимает зачем они вообще нужны.
Первый вопрос, который у них возникает: ”Я же поставил реле напряжения от скачков, зачем мне еще какой-то УЗИП?”
Никакое реле напряжения от этого не спасет, а скорее всего сгорит вместе со всем другим оборудованием. В то же самое время и УЗИП не защищает от малых перепадов в десятки вольт и даже в сотню.
Например устройства для монтажа в домашних щитках, собранные на варисторах, могут сработать только при достижении переменки до значений свыше 430 вольт.
Поэтому оба устройства РН и УЗИП дополняют друг друга.
Защита дома от грозы
Гроза это стихийное явление и просчитать его до сих пор не особо получается. При этом молнии вовсе не обязательно попадать прямо в линию электропередач. Достаточно ударить рядышком с ней.
Даже такой грозовой разряд вызывает повышение напряжения в сети до нескольких киловольт. Кроме выхода из строя оборудования это еще чревато и развитием пожара.
Даже когда молния ударяет относительно далеко от ВЛ, в сетях возникают импульсные скачки, которые выводят из строя электронные компоненты домашней техники. Современный электронный счетчик с его начинкой, тоже может пострадать от этого импульса.
Общая длина проводов и кабелей в частном доме или коттедже достигает нескольких километров.
Сюда входят как силовые цепи так и слаботочка:
- охранная сигнализация
Все эти провода принимают на себя последствия грозового удара. То есть, все ваши километры проводки получают гигантскую наводку, от которой не спасет никакое реле напряжения.
Единственное что поможет и защитит всю аппаратуру, стоимостью несколько сотен тысяч, это маленькая коробочка называемая УЗИП.
Монтируют их преимущественно в коттеджах, а не в квартирах многоэтажек, где подводка в дом выполнена подземным кабелем. Однако не забывайте, что если ваше ТП питается не по кабельной линии 6-10кв, а воздушной ВЛ или ВЛЗ (СИП-3), то влияние грозы на среднем напряжении, также может отразиться и на стороне 0,4кв.
Поэтому не удивляйтесь, когда в грозу в вашей многоэтажке, у многих соседей одновременно выходят из строя WiFi роутеры, радиотелефоны, телевизоры и другая электронная аппаратура.
Молния может ударить в ЛЭП за несколько километров от вашего дома, а импульс все равно прилетит к вам в розетку. Поэтому не смотря на их стоимость, задуматься о покупке УЗИП нужно всем потребителям электричества.
Цена качественных моделей от Шнайдер Электрик или ABB составляет примерно 2-5% от общей стоимости черновой электрики и средней комплектации распредщитка. В общей сумме это вовсе не такие огромные деньги.
Классы УЗИП
На сегодняшний день все устройства от импульсных перенапряжений делятся на три класса. И каждый из них выполняет свою роль.
Модуль первого класса гасит основной импульс, он устанавливается на главном вводном щите.
После погашения самого большого перенапряжения, остаточный импульс принимает на себя УЗИП 2 класса. Он монтируется в распределительном щитке дома.
Если у вас не будет устройства I класса, высока вероятность что весь удар воспримет на себя модуль II. А это может для него весьма печально закончится.
Поэтому некоторые электрики даже отговаривают заказчиков ставить импульсную защиту. Мотивируя это тем, что раз вы не можете обеспечить первый уровень, то не стоит вообще на это тратить денег. Толку не будет.
Однако давайте посмотрим, что говорит об этом не знакомый электрик, а ведущая фирма по системам грозозащиты Citel:
То есть в тексте прямо сказано, класс II монтируется либо после класса 1, либо КАК САМОСТОЯТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО .
Третий модуль защищает уже непосредственно конкретного потребителя.
Если у вас нет желания выстраивать всю эту трехступенчатую защиту, приобретайте УЗИП, которые изначально идут с расчетом работы в трех зонах 1+2+3 или 2+3.
Такие модели тоже выпускаются. И будут наиболее универсальным решением для применения в частных домах. Однако стоимость их конечно отпугнет многих.
Схема электрощита с УЗИП
Схема качественно укомплектованного с точки зрения защиты от всех скачков и перепадов напряжения распределительного щита, должна выглядеть примерно следующим образом.
На вводе перед счетчиком - вводной автоматический выключатель, защищающий прибор учета и цепи внутри самого щитка. Далее счетчик.
Между счетчиком и вводным автоматом - УЗИП со своей защитой. Электроснабжающая организация конечно может запретить такой монтаж. Но вы можете обосновать это необходимостью защиты от перенапряжения и самого счетчика.
В этом случае потребуется смонтировать всю схемку с аппаратами в отдельном боксе под пломбой, дабы предотвратить свободный доступ к оголенным токоведущим частям до прибора учета.
Однако здесь остро встанет вопрос замены сработавшего модуля и срыва пломб. Поэтому согласовывайте все эти моменты заранее.
После прибора учета находятся:
- реле напряжения УЗМ-51 или аналог
- простые модульные автоматы
Если с привычными компонентами при комплектации такого щитка вопросов не возникает, то на что же нужно обратить внимание при выборе УЗИП?
На температуру эксплуатации. Большинство электронных видов рассчитано на работу при окружающей температуре до -25С. Поэтому монтировать их в уличных щитках не рекомендуется.
Второй важный момент это схемы подключения. Производители могут выпускать разные модели для применения в различных системах заземления.
Например, использовать одни и те же УЗИП для систем TN-C или TT и TN-S уже не получится. Корректной работы от таких устройств вы не добьетесь.
Схемы подключения
Вот основные схемы подключения УЗИП в зависимости от исполнения систем заземления на примере моделей от Schneider Electric. Схема подключения однофазного УЗИП в системе TT или TN-S:
Здесь самое главное не перепутать место подключения вставного картриджа N-PE. Если воткнете его на фазу, создадите короткое замыкание.
Схема трехфазного УЗИП в системе TT или TN-S:
Схема подключения 3-х фазного устройства в системе TN-C:
На что нужно обратить внимание? Помимо правильного подключения нулевого и фазного проводников немаловажную роль играет длина этих самых проводов.
От точки подключения в клемме устройства до заземляющей шинки, суммарная длина проводников должны быть не более 50см!
А вот подобные схемы для УЗИП от ABB OVR. Однофазный вариант:
Трехфазная схема:
Давайте пройдемся по некоторым схемкам отдельно. В схеме TN-C, где мы имеем совмещенные защитный и нулевой проводники, наиболее распространенный вариант решения защиты – установка УЗИП между фазой и землей.
Каждая фаза подключается через самостоятельное устройство и срабатывает независимо от других.
В варианте сети TN-S, где уже произошло разделение нейтрального и защитного проводника, схема похожа, однако здесь монтируется еще дополнительный модуль между нулем и землей. Фактически на него и сваливается весь основной удар.
Именно поэтому при выборе и подключении варианта УЗИП N-PE, указываются отдельные характеристики по импульсному току. И они обычно больше, чем значения по фазному.
Помимо этого не забывайте, что защита от грозы это не только правильно подобранный УЗИП. Это целый комплекс мероприятий.
Их можно использовать как с применением молниезащиты на крыше дома, так и без нее.
Особое внимание стоит уделить качественному контуру заземления. 
Одного уголка или штыря забитого в землю на глубину 2 метра здесь будет явно не достаточно. Хорошее сопротивление заземления должно составлять 4 Ом.
Принцип действия
Принцип действия УЗИП основан на ослаблении скачка напряжения до значения, которое выдерживают подключенные к сети приборы. Другими словами, данное устройство еще на вводе в дом сбрасывает излишки напряжения на контур заземления, тем самым спасая от губительного импульса дорогостоящее оборудование.
Определить состояние устройства защиты достаточно просто:
- зеленый индикатор – модуль рабочий
При этом не включайте в работу модуль с красным флажком. Если нет запасного, то лучше его вообще демонтировать.
УЗИП это не всегда одноразовое устройство, как некоторым кажется. В отдельных случаях модели 2,3 класса могут срабатывать до 20 раз!
Автоматы или предохранители перед УЗИП
Чтобы сохранить в доме бесперебойное электроснабжение, необходимо также установить автоматический выключатель, который будет отключать узип. Установка этого автомата обусловлена также тем, что в момент отвода импульса, возникает так называемый сопровождающий ток.
Он не всегда дает возможность варисторному модулю вернуться в закрытое положение. Фактически тот не восстанавливается после срабатывания, как по идее должен был.
В итоге, дуга внутри устройства поддерживается и приводит к короткому замыканию и разрушениям. В том числе самого устройства.
Автомат же при таком пробое срабатывает и обесточивает защитный модуль. Бесперебойное электроснабжение дома продолжается.
Запомните, что этот автомат защищает в первую очередь не разрядник, а именно вашу сеть.
При этом многие специалисты рекомендуют ставить в качестве такой защиты даже не автомат, а модульные предохранители.
Объясняется это тем, что сам автомат во время пробоя оказывается под воздействием импульсного тока. И его электромагнитные расцепители также будут под повышенным напряжением.
Это может привести к пробою отключающей катушки, подгоранию контактов и даже выходу из строя всей защиты. Фактически вы окажетесь безоружны перед возникшим КЗ.
Поэтому устанавливать УЗИП после автомата, гораздо хуже, чем после предохранителей.
Есть конечно специальные автоматические выключатели без катушек индуктивности, имеющие в своей конструкции только терморасцепители. Например Tmax XT или Formula A.
Однако рассматривать такой вариант для коттеджей не совсем рационально. Гораздо проще найти и купить модульные предохранители. При этом можно сделать выбор в пользу типа GG.
Они способны защищать во всем диапазоне сверхтоков относительно номинального. То есть, если ток вырос незначительно, GG его все равно отключит в заданный интервал времени.
Есть конечно и минус схемы с автоматом или ПК непосредственно перед УЗИП. Все мы знаем, что гроза и молния это продолжительное, а не разовое явление. И все последующие удары, могут оказаться небезопасными для вашего дома.
Защита ведь уже сработала в первый раз и автомат выбил. А вы об этом и догадываться не будете, потому как электроснабжение ваше не прерывалось.
Поэтому некоторые предпочитают ставить УЗИП сразу после вводного автомата. Чтобы при срабатывании отключалось напряжение во всем доме.
Однако и здесь есть свои подводные камни и правила. Защитный автоматический выключатель не может быть любого номинала, а выбирается согласно марки применяемого УЗИП. Вот таблица рекомендаций по выбору автоматов монтируемых перед устройствами защиты от импульсных перенапряжений:
Если вы думаете, что чем меньше по номиналу автомат будет установлен, тем надежнее будет защита, вы ошибаетесь. Импульсный ток и скачок напряжения могут быть такой величины, что они приведут к срабатыванию выключателя, еще до момента, когда УЗИП отработает.
И соответственно вы опять останетесь без защиты. Поэтому выбирайте всю защитную аппаратуру с умом и по правилам. УЗИП это тихая, но весьма своевременная защита от опасного электричества, которое включается в работу мгновенно.
Ошибки при подключении
1 Самая распространенная ошибка - это установка УЗИП в электрощитовую с плохим контуром заземления.Толку от такой защиты не будет никакого. И первое же “удачное” попадание молнии, сожгет вам как все приборы, так и саму защиту.
Проверяйте техдокументацию УЗИП и проконсультируйтесь с опытным электриком ответственным за электрохозяйство, который должен быть в курсе какая система заземления используется в вашем доме.
На написание данного текста меня сподвигло ощущение незнания многими принципов работы, использования (или даже незнание о существовании) параллельной защиты от импульсных перенапряжений в сети, в том числе и вызванных разрядами молний
Импульсные помехи в сети довольно распространены, они могут возникать во время грозы, при включении/выключении мощных нагрузок (поскольку сеть это RLC цепь, то в ней при этом возникают колебания, вызывающие выбросы напряжения) и многие другие факторы. В слаботочных, в том числе цифровых цепях, это еще более актуально, поскольку коммутационные помехи достаточно хорошо проникают через источники питания (больше всего защищенными являются Обратноходовые преобразователи - в них энергия трансформатора передается на нагрузку, когда первичная обмотка отключена от сети).
В Европе уже давно де-факто практически обязательна установка модулей защиты от импульсных перенапряжений (далее буду, для простоты, называть грозозащитой или УЗИП), хотя сети у них получше наших, а грозовых областей меньше.
Особо актуальна стало применение УЗИП последние 20 лет, когда ученые стали разрабатывать все больше вариантов полевых MOSFET транзисторов, которые очень боятся превышения обратного напряжения. А такие транзисторы используются практически во всех импульсных источниках питания до 1 кВА, в качестве ключей на первичной (сетевой) стороне.
Другой аспект применения УЗИП - обеспечение ограничения напряжения между нейтральным и земляным проводником. Перенапряжение на нейтральном проводнике в сети может возникать, например, при переключении Автомата ввода резерва с разделенной нейтралью. Во время переключения, нейтальный проводник окажется «в воздухе» и на нем может быть что угодно.
Характеристики импульсов перенапряжения
Импульсы перенапряжений в сети характеризуются формой волны и амплитудой тока. Форма импульса тока характеризуется временем его нарастания и спада - для европейских стандартов это импульсы 10/350 мкс и 8/20 мкс. В России, как это случается часто в последнее время, переняли стандарты Европы и появился ГОСТ Р 51992-2002. Числа в обозначении формы импульса означают следующее:- первая - время (в микросекундах) нарастания импульса тока с 10% до 90% от максимального значения тока;
- вторая - время (в микросекундах) спада импульса тока до 50% от максимального значения тока;
Защитные устройства делятся на классы в зависимости от мощности импульса, который они могут рассеять:
1) Класс 0 (А) - внешняя грозозащита (в данном посте не рассматриваем);
2) Класс I (B) - защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой от 25 до 100 кА формой волны 10/350 мкс (защита в вводно-распределительных щитах здания);
3) Класс II (C) - защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой от 10 до 40 кА формой волны 8/20 мкс (защита в этажных щитах, электрощитах помещений, вводах электропитающего оборудования);
3) Класс III (D) - защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой до 10 кА формой волны 8/20 мкс (в большинстве случаев защита встроена в оборудование - если оно изготовлено в соответствии с ГОСТ);
Приборы защиты от импульсных перенапряжений
Основными двумя приборами УЗИП являются разрядники и варисторы различной конструкции.Разрядник
Разрядник - электрический прибор открытого (воздушного) или закрытого (наполненного инертными газами) типа, содержащий в простейшем случае два электрода. При превышении напряжения на электродах разрядника определенного значения, он «пробивается», тем самым ограничивая напряжение на электродах на определенном уровне. При пробое разрядника по нему протекает значительный ток (от сотен Ампер до десятков килоАмпер) за короткое время (до сотен микросекунд). После снятия импульса перенапряжения, если не была превышена мощность, которую способен рассеять разрядник - он переходит в исходное закрытое состояние до следующего импульса.
Основные характеристики разрядников:
1) Класс защиты (см. выше);
2) Номинальное рабочее напряжение - длительное, рекомендованное производителем рабочее напряжение разрядника;
3) Максимальное рабочее переменное напряжение - предельное длительное напряжение разрядника, при котором он гарантированно не сработает;
4) Максимальный импульсный разрядный ток (10/350) мкс - максимальное значение амплитуды тока с формой волны (10/350) мкс, при котором разрядник не выйдет из строя и обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
5) Номинальный импульсный разрядный ток (8/20) мкс - номинальное значение амплитуды тока с формой волны (8/20) мкс, при котором разрядник обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
6) Напряжение ограничения - максимальное напряжение на электродах разрядника при его пробое из-за возникновения импульса перенапряжения;
7) Время срабатывания - время открывания разрядника (практически для всех разрядников - менее 100 нс);
8) (редко указываемый производителями параметр) статическое напряжение пробоя разрядника - статическое напряжение (медленно изменяемое во времени), при котором произойдет открытие разрядника. Измеряется подачей постоянного напряжения. В большинстве случаев оно на 20-30% превышает максимальное рабочее переменное напряжение, приведенное к постоянному (переменное напряжение, умноженное на корень из 2) ;
Выбор разрядника достаточно творческий процесс с многочисленными «плевками в потолок» - ведь мы заранее не знаем значение тока, который возникнет в сети...
При выборе разрядника можно руководствоваться следующими правилами:
1) При установке защиты в вводных щитах от воздушной линии электропередач или в областях, где частые грозы, устанавливать разрядники с максимальным разрядным током (10/350) мкс не менее 35 кА;
2) Выбирать максимальное длительное напряжение немного больше предполагаемого максимального сетевого напряжения (в противном случае есть вероятность что при высоком сетевом напряжении, разрядник откроется и выйдет из строя от перегрева);
3) Выбирать разрядники с как можно меньшим напряжением ограничения (при этом обязательно выполнение правил 1 и 2). Обычно напряжение ограничения разрядников класса I от 2,5 до 5 кВ;
4) Между проводниками N и PE устанавливать разрядники, специально для этого предназначенные (производители указывают что они для подключения к N-PE проводникам). Кроме того, эти разрядники характеризуются более низкими рабочими напряжениями, обычно порядка 250 В переменного тока (между нейтралью и землей в нормальном режиме вообще напряжение отсутствует) и большим разрядным током - от 50 кА до 100 кА и выше.
5) Подключать разрядники к сети проводниками сечением не менее 10 мм2 (даже если сетевые проводники имеют меньшее сечение) и как можно меньшей длины. Например, при возникновении в проводнике длиной 2 мера сечением 4 мм2 тока 40 кА, на нем упадет (в идеальном случае без учена индуктивности - а она тут играет большую роль) около 350 В. Если таким проводником подключен разрядник, то в точке подключения к сети напряжение ограничения будет равным сумме напряжения ограничения разрядника и падения напряжения на проводнике при импульсном токе (наши 350 В). Таким образом, значительно ухудшаются защитные свойства.
6) По возможности устанавливать разрядники перед вводным автоматическим выключателем и обязательно перед УЗО (при этом необходимо последовательно с разрядником установить предохранитель с характеристикой gL на ток 80-125 А, для обеспечения отключения разрядника от сети при выходе его из строя). Поскольку установить УЗИП перед вводным автоматом никто не позволит - желательно чтобы автомат был на ток не менее 80А с характеристикой срабатывания D. Это снизит вероятность ложного срабатывания автомата при срабатывании разрядника. Установка УЗИП перед УЗО обусловлена низкой стойкостью УЗО к импульсным токам, кроме того, при срабатывании разрядника N-PE, УЗО будет ложно срабатывать. Также, желательно УЗИП устанавливать перед счетчиками электроэнергии (что опять же, энергетики не позволят сделать)
Варистор
Варистор - полупроводниковый прибор с «крутой» симметричной вольт-амперной характеристикой.
В исходном состоянии варистор имеет высокое внутреннее сопротивление (от сотен кОм до десятков и сотен МОм). При достижении напряжения на контактах варистора определенного уровня, он резко снижает свое сопротивление и начинает проводить значительный ток, при этом напряжение на контактах варистора изменяется незначительно. Как и разрядник, варистор способен поглотить энергию импульса перенапряжения длительностью до сотен микросекунд. Но при длительном повышенном напряжении, варистор выходит из строя с выделением большого количества тепла (взрывается).
Все варисторы в исполнении на DIN-рейку оснащены тепловой защитой, предназначенной для отключения варистора от сети при его недопустимом перегреве (при этом по локальной механической индикации можно определить, что варистор вышел из строя).
На фото варисторы с встроенным тепловым реле после превышения рабочего напряжения разных значений. При значительном перенапряжении такая встроенная тепловая защита практически не эффективна - варисторы взрываются так, что уши закладывает. Однако, встроенная тепловая защита в варисторных модулях на DIN-рейку достаточно эффективна при любых длительных перенапряжениях, и успевает отключить варистор от сети
Небольшое видео натуралистических испытаний:) (подача на варистор диаметром 20 мм повышенного напряжения - превышение на 50 В)
Основные характеристики варисторов:
1) Класс защиты (см. выше). Обычно варисторы имеют класс защиты II (C), III (D);
2) Номинальное рабочее напряжение - длительное, рекомендованное производителем рабочее напряжение варистора;
3) Максимальное рабочее переменное напряжение - предельное длительное напряжение варистора, при котором он гарантированно не откроется;
4) Максимальный импульсный разрядный ток (8/20) мкс - максимальное значение амплитуды тока с формой волны (8/20) мкс, при котором варистор не выйдет из строя и обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
5) Номинальный импульсный разрядный ток (8/20) мкс - номинальное значение амплитуды тока с формой волны (8/20) мкс, при котором варистор обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
6) Напряжение ограничения - максимальное напряжение на варисторе при его открытии из-за возникновения импульса перенапряжения;
7) Время срабатывания - время открывания варистора (практически для всех варисторов - менее 25 нс);
8) (редко указываемый производителями параметр) классификационное напряжение варистора - статическое напряжение (медленно изменяемое во времени), при котором ток утечки варистора достигает значения 1 мА. Измеряется подачей постоянного напряжения. В большинстве случаев оно на 15-20% превышает максимальное рабочее переменное напряжение, приведенное к постоянному (переменное напряжение, умноженное на корень из 2) ;
9) (очень редко указываемый производителями параметр) допустимая погрешность параметров варистора - практически для всех варисторов ±10%. Эту погрешность следует учитывать при выборе максимального рабочего напряжения варистора.
Выбор варисторов также как и разрядников сопряжен с трудностями, связанными с неизвестностью условий их работы.
При выборе варисторной защиты можно руководствоваться следующими правилами:
1) Варисторы устанавливаются как вторая-третья ступень защиты от импульсных перенапряжений;
2) При использовании варисторной защиты II класса совместно с защитой I класса, необходимо учитывать разную скорость срабатывания варисторов и разрядников. Поскольку разрядники медленнее варисторов, если УЗИП не согласовать, варисторы будут принимать на себя бОльшую часть импульса перенапряжения и быстро выйдут из строя. Для согласования I и II классов грозозащиты применяются специальные согласующие дроссели (производители УЗИ имеют их ассортимент для таких случаев), либо длина кабеля между УЗИП I и II классов должна быть не менее 10 метров. Недостатком такого решение является необходимость вреза дросселей в сеть или ее удлинение, что увеличивает ее индуктивную составляющую. Единственным исключением является немецкий производитель PhoenixContact , который разработал специальные разрядники I класса с так называемым «электронным поджигом», которые «согласованы» с варисторными модулями этого же производителя. Эти комбинации УЗИП можно устанавливать без дополнительного согласования;
3) Выбирать максимальное длительное напряжение немного больше предполагаемого максимального сетевого напряжения (в противном случае есть вероятность что при высоком сетевом напряжении, варистор откроется и выйдет из строя от перегрева). Но тут нельзя перебарщивать, поскольку напряжение ограничения варистора напрямую зависит от классификационного (а следовательно, от максимального рабочего напряжения). Примером неудачного выбора максимального рабочего напряжения являются варисторные модули ИЭК с максимальным длительным напряжением 440 В. Если их устанавливать в сеть с номинальным напряжением 220 В, то работа его будет крайне неэффективна. Кроме того, следует учитывать, что варисторы имеют тенденцию к «старению» (т.е. со временем, при многих срабатываниях варистора, его классификационное напряжение начинает снижаться). Оптимальным для России будет применение варисторов длительным рабочим напряжением от 320 до 350 В;
4) Выбирать нужно с как можно меньшим напряжением ограничения (при этом обязательно выполнение правил 1 - 3). Обычно напряжение ограничения варисторов класса II для сетевого напряжения от 900 В до 2,5 кВ;
5) Не соединять параллельно варисторы для увеличения суммарной рассеиваемой мощности. Многие производители защит УЗИП (особенно класса III (D)) грешат параллельным соединением варисторов. Но, поскольку 100% одинаковых варисторов не существует (даже из одной партии они разные), всегда один из варисторов окажется самым слабым звеном и выйдет из строя при импульсе перенапряжения. При последующих же импульсах выйдут из строя цепочной остальные варисторы, поскольку они уже не будет обеспечивать требуемую мощность рассеяния (это тоже самое что соединять параллельно диоды для увеличения общего тока - так делать нельзя)
6) Подключать варисторы к сети проводниками сечением не менее 10 мм2 (даже если сетевые проводники имеют меньшее сечение) и как можно меньшей длины (рассуждения те же, что и для разрядников).
7) По возможности устанавливать варисторы перед вводным автоматическим выключателем и обязательно перед УЗО. Поскольку установить УЗИП перед вводным автоматом никто не позволит - желательно чтобы автомат был на ток не менее 50А с характеристикой срабатывания D (для варисторов II класса). Это снизит вероятность ложного срабатывания автомата при срабатывании варистора.
Краткий обзор производителей УЗИП
Ведущими производителями, специализирующимися на УЗИП низковольтных сетей являются: Phoenix Contact ; Dehn ; OBO Bettermann ; CITEL ; Hakel . Также у многих производителей низковольтной аппаратуры, в продукции имеются модули УЗИП (ABB, Schneider Electric и др.). Кроме того, китай успешно копирует УЗИП мировых производителей (поскольку Варистор достаточно простой прибор, китайские производители изготавливают довольно качественную продукцию - например модули TYCOTIU).Кроме того, на рынке довольно много готовых щитков защиты от импульсных перенапряжения, включающих в себя модули одного или двух классов защиты, а также предохранители для обеспечения безопасности, в случае выхода из строя защитных элементов. В этом случае, щиток закрепляется на стене и подключается к имеющейся электропроводке в соответствии с рекомендациями производителя.
Стоимость УЗИП разнится в зависимости от производителя в разы. В свое время (несколько лет назад), мною был проведен анализ рынка и выбран ряд производителей II класса защиты (некоторые в список не попали, в связи с отсутствием исполнений модулей на требуемое длительное рабочее напряжения 320 В или 350 В).
Как замечание по качеству, могу выделить только модули HAKEL (например PIIIMT 280 DS) - они имеют слабые контактные соединения вставок и изготовлены из горючего пластика, что запрещено ГОСТ Р 51992-2002. На данный момент HAKEL обновили ряд продукции - о ней ничего сказать не могу, т.к. не буду использовать HAKEL больше никогда
Применение УЗИП класса III (D) и защиту цифровых цепей устройств оставим на потом.
В заключение могу сказать, если после прочтения всего у вас появилось больше вопросов, чем после прочтения заголовка - это хорошо, поскольку тема заинтересовала, а она настолько необъятная, что можно не одну книгу написать.
Теги:
- грозозащита
- УЗИП
- защита от перенапряжения
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.
Классификация УЗИП
Аппараты защиты от импульсных напряжений являются широким и обобщенным понятием. В эту категорию устройств входят приборы, которые можно подразделить на классы:
- I класс. Предназначены для защиты от непосредственного воздействия грозового разряда. Данными устройствами в обязательном порядке должны укомплектовываться вводно-распределительные устройства (ВРУ) административных и промышленных зданий и жилых многоквартирных домов.
- II класс. Обеспечивают защиту электрических распределительных сетей от перенапряжений, вызванных коммутационными процессами, а также выполняющие функции второй ступени защиты от воздействия удара молнии. Монтируются и подключаются к сети в распределительных щитах.
- III класс. Применяются, чтобы обезопасить аппаратуру от импульсных перенапряжений, вызванных остаточными бросками напряжений и несимметричным распределением напряжения между фазой и нулевым проводом. Устройства данного класса работают также в режиме фильтров высокочастотных помех. Наиболее актуальны для условий частного дома или квартиры, подключаются и устанавливаются непосредственно у потребителей. Особой популярностью пользуются устройства, которые изготавливаются, как модули, оснащенные быстросъемным креплением для установки на , либо имеют конфигурацию электрических штепсельных розеток или сетевых вилок.
Типы устройств
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:
Как обустроить защиту?
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.
При подключении УЗИП необходимо предусмотреть их токовую защиту и защиту от коротких замыканий вводным автоматическим выключателем или плавкими предохранителями. Подробнее о монтаже данных защитных устройств мы расскажем в отдельной статье.
Вот мы и рассмотрели принцип работы УЗИП, классы и разницу между ними. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной!
Одним из факторов, приводящих к повреждениям электрооборудования, являются атмосферные перенапряжения , связанные с ударами молний. Действия атмосферного электричества разделяются на:
- прямые удары молний электрооборудование;
- удары молний рядом с электрооборудованием, воздействующие на него при помощи мощного электромагнитного импульса;
- удары молний вдали от потребителей, электромагнитная волна от которых воспринимается полупроводниковыми устройствами телемеханики и связи и создает помехи для их работы.
Воздействия атмосферных перенапряжений характерны небольшой длительностью импульса – порядка десятков миллисекунд. Но на это время напряжение в сети многократно повышается. Это приводит к пробоям изоляции и повреждениям как линий связи, так и питающихся от них потребителей.
Для защиты от перенапряжений, создаваемых грозовыми разрядами, используют устройства, ограничивающие амплитудное значение напряжения до уровня, безопасного для изоляции электрооборудования.
Искровые и вентильные разрядники, ОПН
Первыми устройствами, примененными для ограничения величин перенапряжений в сети, были искровые разрядники . Действие их основано на пробое воздушного промежутка фиксированной длины при определенном напряжении.
Разрядник подключается между защищаемыми фазами и контуром молниезащиты. Для каждой из фаз устанавливается персональный элемент. Он может выполняться открытым и состоять из расположенных торцами напротив друг друга металлических прутков. А может состоять из электродов, заключенных в изолирующую оболочку.
В момент возникновения грозового перенапряжения искровой промежуток разрядника пробивается, и мощность импульса уходит в землю через контур молниезащиты. За счет этого уровень напряжения ограничивается. По окончании импульса дуга гаснет, и разрядник снова готов к работе. В нормальном режиме он не потребляет тока и не оказывает влияния на режим работы электроустановки.
Вторым устройством, защищающим изоляцию от перенапряжений, были вентильные разрядники . Они состоят из двух элементов, соединенных последовательно: многократного искрового промежутка и гасящего резистора. При перенапряжении искровые промежутки пробиваются, через них и резистор протекает ток. В результате снижается напряжение в сети. Как только возмущающее воздействие снимается, дуга в искровых промежутках гаснет, и разрядник приходит в исходное положение.
Вентильные разрядники герметичны и работают бесшумно, в отличие от искровых, выделяющих в атмосферу продукты горения дуги.
Вентильные и искровые разрядники применяются только в электроустановках высокого напряжения.
Предыдущие защитные устройства заменяются ограничителями перенапряжений (ОПН) .
Внутри ОПН находится варистор: резистор с нелинейной зависимостью сопротивления от приложенного к нему напряжения . При превышении порогового значения напряжения ток через варистор резко возрастает, предотвращая дальнейшее его повышение. При прекращении грозового или коммутационного импульса ОПН переходит в исходное состояние.
По сравнению с предыдущими устройствами ОПН надежнее и меньших габаритов. Их характеристики подбираются более точно, что позволило выработать гибкую стратегию их эффективного применения.
Модульные ОПН для сетей низкого напряжения получили название устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) .
К ним относятся:
Форма волны импульсного перенапряжения стандартизирована для случаев:
- прямое попадание молнии – 10/350 мкс ;
- воздействие непрямого действия молнии – 8/20 мкс .
По назначению УЗИП по стандарту МЭК разделяются на типы 1-3, по ГОСТ Р 51992-2002 они разделяются на классы испытаний (I – III). Соответствие и назначение этих характеристик указано в таблице.
| Типы по IEC 61643 | Классы по ГОСТ Р 51992-2002 | Назначение | Место установки |
| 1 | I | Для ограничения перенапряжений от прямых ударов молний | На вводе в здание, в главном распределительном щите |
| 2 | II | Для ограничения перенапряжений от далеких ударов молний и коммутационных перенапряжений | На вводах, где не существует опасности прямых ударов |
| 1+2 | I+II | Объединяются характеристики типов УЗИП 1 и 2 | Как для типов 1 или 2 |
| 3 | III | Для защиты чувствительных потребителей. Имеют самый низкий уровень защитного напряжения | Для непосредственной установки у потребителей |
По конструктивному исполнению УЗИП выпускаются с разным числом полюсов: от одного до четырех.
Выбор УЗИП
Для начала нужно определить степень воздействия молний или коммутационных перенапряжений на защищаемый объект. Для этого используются данные об интенсивности грозовых разрядов в месте установки, учитывается наличие устройств молниезащиты, линий электропередачи и их протяженность. Если ввод в дом выполнен кабельной линией, то она более защищена от прямых ударов молний, чем воздушная.
Электроустановка здания разделяется на зоны, защищаемые УЗИП соответствующих классов. Задача такого разделения: ступенчато снизить уровень перенапряжения так, чтобы более мощные устройства гасили основную волну перенапряжения, а по мере ее продвижения по распределительной сети устройства низшего класса дополнительно снижали ее воздействие, обеспечивая минимум в точке подключения потребителей.
Одновременно с этим безопасность электрооборудования обеспечивается выбором класса изоляции, соответствующего зоне защиты .
На вводе в здание устанавливаются УЗИП типов 1 или 1+2 . Они выдерживают импульс от прямого удара молнии, снижая его до величины, допустимой для электрооборудования с классом изоляции IV (до 6 кВ) . Точка установки УЗИП – во вводном щитке, ВРУ (вводном распределительном устройстве) или ГРЩ (главном распределительном щитке).
Класс изоляции электрооборудования, расположенного в этих распределительных устройствах после УЗИП, должен быть не хуже III (до 4 кВ) .
Следующий рубеж защиты – распределительные щитки , подключенные к ВРУ или ГРЩ в глубине здания. На их входе устанавливаются УЗИП типа II , снижающие уровень перенапряжения до величины, приемлемой для электрооборудования с классом изоляции II (2.5 кВ) . Так защищаются потребители, включающиеся непосредственно в розетки питания и устройства освещения.
При необходимости защиты электрооборудования, наиболее чувствительного к помехам (компьютерная техника, устройства связи), применяются УЗИП типа 3 , устанавливающиеся в непосредственной близости от защищаемого объекта.
Требования к подключению УЗИП
При трехфазном питании и системе заземления TN-C к УЗИП подключаются все три фазы напряжения. В случае с системами TN-C-S или TN-S – к трем фазам добавляется нулевой рабочий проводник. Вывод «РЕ» соединяется с главной заземляющей шиной ВРУ или шиной РЕ распределительного щитка. Главная заземляющая шина соединяется с контуром заземления здания.