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

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

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

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

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

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

Принцип действия УЗИП

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

При выборе защитных устройств обращайте внимание на следующие параметры:

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

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.

УЗИП защищается либо автоматическим выключателем ввода в здание (или вводным выключателем щитка), или персонально установленными предохранителями.

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

Применение УЗИП

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис.5

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

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

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

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

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

На рис.6 показаны примеры поврежденных плат

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

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

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

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

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

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

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

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

Требования к монтажу и установке УЗИП

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Таблица 1.

Примечания к таблице 1:

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

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

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

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

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

Другими словами УЗИПы выполняют следующие функции :

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

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

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

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

1. 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.

1. 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.

1. 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.

1. 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.

Скачки напряжения пагубно влияют не только на электронику, но и на любую электротехнику в целом. Поэтому для защиты бытовых электроприборов требуется установка различных защитных устройств: ведь перепады напряжения могут вызвать различные неисправности. Одним из самых опасных видов считается импульсное перенапряжение, которое возникает по следующим причинам:

Для защиты от данного вида перенапряжений в быту и на производстве широко применяется специальное устройство УЗИП или ограничитель импульсных перенапряжений (ОПС).

Общая информация

Такое устройство защиты предназначено для установки в низковольтные (до 1000 В) силовые сети бытового и промышленного назначения. УЗИП обладает следующими достоинствами:

• Техническая совершенность;
• Эффективность и надежность защиты;
• Невысокая стоимость.

Эти факторы позволяют установить устройство в каждом доме или квартире, и обеспечить надежную защиту всего электрооборудования от импульсных скачков напряжения.

Принцип работы

Основным элементом УЗИП является варистор, который выполнен из специального проводника. Уникальность разработки заключается в способности варистора пропускать электроток при многократно возросшем напряжении. При возникновении импульса сопротивление варистора падает до сотых долей Ома. В результате этого происходит шунтирование нагрузки, преобразование и рассеивание поглощенного импульса в виде тепловой энергии (нагревание корпуса).

Важно! Проводящий элемент варистора теряет свои характеристики после двух-трех разрядов молнии.

В большинстве моделей предусмотрено индикаторное окно, через которое можно визуально определить, является ли варистор работоспособным. Также в устройство защиты установлен предохранитель от сверхтоков.

Классификация

Нормативные акты предписывают установку трехуровневой защиты от импульсных перенапряжений. Для этого выпускаются и применяются УЗИП трех видов:

1. Класс B. Устройство этого типа устанавливается на ВРУ или ГРЩ и предназначено для выравнивания входящего потенциала при прямом попадании молнии или возникновении коммутационных перенапряжений. При воздушном вводе и наличии громоотвода установка этого типа УЗИП обязательна;
2. Класс C устанавливается на вводе в местах, где отсутствует вероятность прямого грозового разряда и при подземном вводном кабеле. Также такое устройство рекомендуется для подключения в качестве второго уровня защиты в жилых помещениях. В этом случае УЗИП обеспечивает защиту внутренней проводки, коммутационных соединений и розеточных групп от остаточного перенапряжения;
3. Класс D предназначен для монтажа во внутренних электрощитах или непосредственно перед потребителем (электроприбором). Выполняет функцию защиты потребителей от остаточного перенапряжения, прошедшего предыдущие ограничители.

Ограничители перенапряжения D класса отличаются компактными размерами и могут быть выполнены в различном исполнении. Часто их устанавливают в распределительных коробках или на отдельную розеточную группу, к которой подключены электронные приборы.

Наиболее популярными считаются ограничители серии ОПС1, которым отдают предпочтение профессиональные электромонтажники. Рассмотрим эти устройства более подробно.

Серия ОПС1

Ограничительное устройство ОПС1 производится всех трех классов защиты: B, C, и D.

Для чего нужны защитные устройства?

ОПС1 способно защитить любое электрооборудование. Благодаря компактным размерам такое устройство подходит для установки и подключения в обычном электрощите квартиры, коттеджа или офиса. Установка УЗИП в таких помещениях поможет спасти дорогостоящую технику и компьютерное оборудование. В загородных коттеджах, оборудованных системой «умный дом» монтаж ОПС1 предписывается инструкцией производителя, поскольку электронная начинка очень чувствительна к импульсным перенапряжениям. Также подобная защита требуется любым автономным системам жизнеобеспечения, наблюдения и безопасности.

Поэтому такое устройство устанавливается не только в частном секторе и городских квартирах, но и в административных, офисных, коммерческих и других зданиях.

Особенности конструкции и характеристики

ОСП1 имеет стандартные размеры и модульное исполнение: это позволяет без проблем установить устройство на DIN-рейку. При этом прибор может иметь от 1 до 4 сменных модулей (в зависимости от класса). Сменный модуль (отработанный варисторный разрядник) легко заменяется новым: для этого в центре корпуса предусмотрены направляющие, в которые и вставляется новый модуль. Это позволяет быстро произвести замену без отключения проводов и демонтажа всего устройства.

Применяемый в модуле варистор изготавливается из керамической смеси и окиси цинка, с добавлением специальных примесей для получения уникальных запирающих свойств. Также в каждом блоке предусмотрена защита от повышенной токовой нагрузки.

Для контроля работоспособности сменного блока предусмотрено окно с цветным указателем состояния. Для обеспечения надежного контакта на зажимах (клеммах) выполнены насечки, обеспечивающие большую площадь соприкосновения. Это автоматически уменьшает сопротивление самого контакта.

В зависимости от класса защиты и производителя, ограничители перенапряжения имеют такие характеристики:

• Класс защиты – IP;
• Разрядный ток имеет форму 8/20 мкс;
• Номинальное напряжение составляет 230–400 В;
• Время срабатывания составляет не более 25 нс;
• Напряжение защищаемой линии: от 1 до 2 кВ;
• Максимальный разряд, который способно выдержать устройство: 10 – 60 кА.

Чтобы подключить устройство защиты, используются медные или алюминиевые провода сечением от 4 до 25 мм 2

Обратите внимание! При подключении ОПС1 важно соблюдать полярность. Для этого все клеммные зажимы на корпусе прибора имеют маркировку, какой провод следует подключить в этот разъем.

Схема подключения

Теперь давайте рассмотрим, что представляет собой схема подключения УЗИП в энергосеть на примере частного дома.

На примере показано, как правильно выполнить подключение ограничителей перенапряжения зонально: такая схема признана наиболее эффективной. Именно концепция трехступенчатой защиты с размещением УЗИП внутри помещения нашла наибольшее применение на практике. При этом важно для каждой зоны устанавливать соответствующий класс ограничителя.

Обратите внимание! При монтаже ОСП1 важно выдерживать правильное расстояние между приборами: между ними должно быть минимум 10 метров.

Зональная концепция защиты

Согласно принятым МЭК стандартам, любой объект, оборудованный электропроводкой, подразделяется на условные зоны. Деление (или классификация зон) осуществляется на основании теоретического воздействия грозового разряда: прямого или непрямого. С этой точки зрения выделяют несколько зон:

• 0A: все точки электролиний в этой зоне подвержены прямому контакту с каналом молнии или грозовым разрядом, а также электромагнитным полем, возникающим вследствие этого природного явления;
• 0B: эта зона относится к внешней среде дома или другого объекта, не попадающая под непосредственный контакт с молнией. Обычно эта зона надежно защищена правильно установленным молниеотводом. Стоит учитывать, что эта область подвержена воздействию сильнейшего электромагнитного поля;
• Зона 1 относится к внутренней области здания. В этой области все точки электролинии не подвержены прямому удару молнии. Вследствие этого значение разрядного тока, проходящего через эту зону значительно ниже, чем во внешних областях. За счет экранирования стенами здания электромагнитного поля, его воздействие также снижено.

Деление на последующие внутренние области (зона 2, 3 и так далее), происходит в случае необходимости дальнейшего рассеивания импульсных токов или электромагнитного поля. Такое проектирование практикуется при необходимости размещения в этих зонах чувствительного электрооборудования или электронных устройств. Для каждой последующей области характерно уменьшение разрядного тока и влияния (мощности) электромагнитного поля.

Подводим итоги

Из этой статьи мы узнали назначение и конструктивные особенности ограничителей перенапряжений, важность их правильной установки. Также рассмотрели их классификацию, принцип работы и ознакомились с зональной концепцией защиты зданий и объектов.