Импульсные перенапряжения возникают вследствие. Классификация устройств защиты от импульсных перенапряжений. Защита от импульсного перенапряжения. Ограничитель перенапряжения - его виды и возможности

Импульсные перенапряжения в электрических сетях — не редкость. Возникают они при прямых или близких ударах молний, из-за переключений в высоковольтных сетях, а также из-за различных аварийных процессов. При этом особой опасности подвергаются частные домовладения, которые получают питание по воздушной линии электропередачи (ВЛ).

Молния — это электрический разряд атмосферного происхождения, который развивается между грозовым облаком и землей или между грозовыми облаками. Считается, что ток прямого удара молнии, составляет примерно 100 тысяч Ампер , а напряжение до 1 миллиарда Вольт . Форма импульса перенапряжения при ударе молнии показана на рисунке ниже.

Очевидно, что воздействие напряжения в десятки тысяч вольт на электроприборы, рассчитанные на 220В приведет как минимум к выходу их из строя, а чаще — к их возгоранию.

Когда нужно применять УЗИП

Защита зданий и сооружений от возгораний при прямом попадании молнии осуществляется молниеотводами. Для жилых зданий он представляет собой сваренную сетку из стали диаметром 8 мм на плоской кровле, с шагом ячейки 15х15 или трос, протянутый на коньке кровли, если она скатного типа.

Защита техники и электропроводки от воздействий молнии осуществляется специальными аппаратами — . Применение УЗИП при вводе в здание воздушной линией является обязательным. Такое требование предъявляет ПУЭ п.7.1.22. УЗИП могут выглядеть как модули, устанавливаемые на DIN-рейку, или как устройства, встраиваемые в вилки или розетки.

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.

Я затрагивал вопрос про основные показатели получаемой электрической энергии из сети, согласно ГОСТ 13109-97. Переходите по ссылке и знакомьтесь подробнее. Здесь лишь повторю, что к ним относятся отклонения напряжения, провалы напряжения и перенапряжения.

Для защиты электрооборудования от первых двух показателей я рекомендовал Вам устанавливать стабилизаторы напряжения. Вот наглядный пример о том, для своего дома.

А вот про защиту электрооборудования и электропроводки от перенапряжений я как то упустил из виду. Поэтому тема данной статьи будет посвящена видам перенапряжений и их опасностям.

Итак, приступим.

Что такое перенапряжение?

Для начала давайте определимся, что же такое перенапряжение.

Перенапряжение — это импульс или волна напряжения, которое накладывается на номинальное напряжение сети.

Вот так примерно это выглядит.

Например, напряжение однофазной сети у нас составляет 220 (В). Напоминаю Вам, что это действующее значение напряжения. Если перевести его в амплитудное, умножив действующее напряжение на √2, то получим 310 (В). Так вот во время импульсных перенапряжений амплитудное значение напряжения может достигать значения до нескольких тысяч вольт. Длительность таких импульсных перенапряжений не велика — всего несколько милисекунд (мсек).

Какую опасность несут в себе перенапряжения? Примеры

Вот еще один пример пагубных последствий импульсных перенапряжений, который вывел из строя электронный «Энергомера» СЕ102.

А ведь мы иногда и не подразумеваем, что тот или иной электрический прибор вышел из строя по причине перенапряжения в сети, а ссылаемся на соответствующее качество производителя.

Причины возникновения и виды импульсных перенапряжений

Всего существует 3 вида импульсных перенапряжений:

• коммутационное
• грозовое (его еще называют атмосферным)
• электростатическое

Рассмотрим каждый вид отдельно.

1. Коммутационное перенапряжение

Коммутационные перенапряжения возникают при резком изменении установившегося режима работы электрической сети. Такое явление называют переходным процессом. Импульсы и волны при данном виде перенапряжений имеют высокую частоту: от десятков до сотен (кГц), а их значение достигает до нескольких тысяч вольт и в большей степени зависит от параметров электрической цепи (индуктивность, емкость), быстродействия коммутационных аппаратов и фазы тока во время коммутации.

Причины возникновения коммутационных перенапряжений:

• и других аппаратов защиты
• пуск или отключение от сети мощных
• включение и отключение от сети силовых трансформаторов
• включение или отключение от сети конденсаторных батарей

Например, при отключении от электрической сети небольшого трансформатора мощностью всего 1 (кВА) может возникнуть импульсное коммутационное перенапряжение порядка 2000 (В), т.е. вся запасенная энергия в обмотках трансформатора выбрасывается в электрическую сеть, что пагубно может сказаться на работу электрооборудования.

Представьте себе какое перенапряжение возникнет при коммутации силового трансформатора мощностью 400 (кВА)?

2. Атмосферное (грозовое) перенапряжение

Атмосферные (грозовые) перенапряжения относятся к природным явлениям, вызванные грозовыми разрядами.

Грозовые разряды — это мощное импульсное перенапряжение в десятки тысяч вольт и длительностью не более 1 (мс).

По общей статистике 90% молний имеют ток разряда порядка 40-60 (кА). Чуть меньше 1% молний имеют ток разряда 100 (кА) и выше.

Существуют прямые попадания молний в электрическую сеть (воздушную линию) или в молниеприемник, и удаленные попадания молний на расстоянии до 1500 м, при котором возникают импульсные перенапряжения. Смотрите картинки ниже.

На картинках выше волна перенапряжения (импульс) подписана двумя надписями, либо 10/350, либо 8/20. Эти волны (импульсы) имеют определенную форму и длину волны.

Как видно по графику, импульс 10/350 наиболее опасен для защищаемого объекта, чем 8/20, т.к. он в десятки раз дольше воздействует на электрическую сеть.

Еще несколько слов хотел бы сказать про перераспределение энергии грозового разряда. Принято считать, что 50% от первоначального импульса перенапряжения, при условии, что у нас в доме выполнена система молниезащиты и имеется (система , ), отводится в землю, а остальные 50% перераспределяются равномерно между всеми проводниками электрической сети, в том числе трубами и бытовыми коммуникациями.

3. Электростатическое перенапряжение

Еще один вид, который мы рассмотрим — это электростатическое перенапряжение. Чаще всего оно возникает в сухих средах путем скапливания электростатических зарядов, которые в свою очередь создают сильное электростатическое поле. Это очень не предсказуемый вид перенапряжений.

Например, если походить по ковру в , то мы сможем зарядиться до нескольких тысяч вольт. При касании любой проводящей конструкции (батарея, корпус компьютера) произойдет электрический разряд длительностью несколько наносекунд (нсек). Наиболее опасен данный вид перенапряжений для электронных деталей и компонентов электрических приборов и устройств.

Как защитить свой дом от перенапряжений?

Ну вот мы подошли к самому главному вопросу, как же защитить электрические приборы и или от вышеперечисленных импульсных перенапряжений.

Скажу сразу, что полностью избавиться от импульсных перенапряжений не получится. Наша цель — это лишь снизить значения импульсных перенапряжений до значений, не угрожающих нашему оборудованию.

Дело в том, что даже при правильном монтаже системы молниезащиты 50% мощности импульсного разряда уходит в землю, а остальные 50% перераспределяются по сетям и бытовыми коммуникациями дома. Поэтому для осуществления полной защиты от перенапряжений необходимо выполнить:

• повторное заземление PEN проводника на опоре ввода воздушной линии (ВЛ) в дом
• повторное заземление крюков и кронштейнов всех опор воздушной линии
• монтаж системы молниезащиты
• отдельный контур заземления для молниезащиты, который нужно соединить с основным контуром дома
• (ОСУП, ДСУП)
• ступенчатая защита с помощью специальных устройств УЗИП (устройство защиты от импульсных перенапряжений)

Более подробно о каждом способе защиты я расскажу Вам в отдельных статьях. Чтобы не пропустить выход новых статей, пройдите процедуру подписки.

P.S. На этом пожалуй и все. Надеюсь Вы поняли, чем опасны импульсные перенапряжения и что в обязательном порядке необходимо от них защищаться?

Импульсная защита – это устройство блокировки от чрезмерного напряжения в виде импульсов тока. Она устанавливается в квартирах и домах, обладает такими преимуществами, как высокая эффективность, низкая стоимость, совершенная конструкция.

Такой тип защиты оборудования силовых распределительных линий до 1000 вольт служит для защиты от повышенных напряжений, связанных с импульсами.

Источниками импульсов могут быть:

• Разряды молнии в цепь электропитания или в молниеотвод объекта рядом с вводом питания в объект.
• Разряды молнии на расстоянии до нескольких тысяч метров возле коммуникаций объекта.
• Подключения достаточно мощных нагрузок, замыкания в линиях распределения питания.
• Помехи от электромагнитных волн, от электронных приборов и оборудования.

В офисах и квартирах имеется много бытовой, компьютерной и другой дорогостоящей техники, которая потребляет электроэнергию. Поэтому, во избежание риска повреждений и выхода из строя от импульсных перенапряжений оборудования, лучше приобрести и установить защитное устройство.

Достаточно одного резкого перепада напряжения для выхода из строя сразу нескольких бытовых устройств. Особенно актуален этот вопрос в дачных домиках, загородных домах, в которых система электроснабжения, отопления, водоснабжения подключены к автономным сетям питания. Нельзя пренебрегать требованиями электробезопасности.

Импульсная защита служит для ограничения напряжения в виде импульсов от разрядов молнии, подключений мощной индуктивной нагрузки (Это могут быть большие электромоторы, трансформатор) и т.п.

Типы и классы защиты от импульсов напряжения

1. Тип 1. Класс В . Устройства применяются при возможном прямом ударе молнии в цепь питания или рядом с объектом в землю. Если ввод питания осуществлен по воздушной линии, а также, если имеется молниеотвод, то установка импульсной защиты строго обязательна. Оборудование монтируется в железном корпусе, рядом с входом питания в здание, либо в распределительном щите.
2. Тип 2 . Класс С . Имеет уменьшенную защиту от импульсов напряжения, монтируется у входа в электроустановку и в помещение, как 2-й уровень защиты. Монтируется в распределительных щитках.
3. Тип 3. Класс D . Защищает электрооборудование от остаточного перенапряжения, несимметричных токов, помех высокой частоты. Монтируется вблизи электрических приборов. Рекомендуется защиту от импульсов устанавливать рядом с потребителем, не более пяти метров от него, а если есть молниеотвод, то непосредственно на входе питания потребителя, так как ток в молниеотводе провоцирует значительный по величине импульс в электропроводке.

Принцип действия

Действие защиты от импульсов напряжения можно легко объяснить, так как в нем простая схема вывода перенапряжения. В схему устройства вмонтирован шунт, по которому ток поступает к нагрузке потребителя, подключенного к питанию. От шунта к земле подключена перемычка, которая состоит из разрядника или варистора.

При нормальном напряжении в сети варистор имеет сопротивление несколько мОм. При появлении на линии перенапряжения, варистор начинает пропускать через себя ток, поступающий далее в землю. Так просто действует защита от импульсов. При нормализации напряжения питания варистор перестает быть проводником тока, и питание поступает к потребителю по встроенному шунту.

Устройство защиты

Импульсная защита построена на основе варисторов или разрядников. Также имеются устройства индикации, которые подают сигналы о выходе из строя защиты. К недостаткам варисторной защиты можно отнести тот факт, что при срабатывании защиты варисторы нагреваются, и для повторной работы требуется время на охлаждение. Это отрицательно сказывается на работе при грозовой погоде и множественных ударах молнии.

Часто защита на варисторах производится с приспособлением для закрепления на . Варистор легко меняется путем обычного его извлечения из корпуса защиты и монтажа нового варистора.

Практическое применение

Чтобы надежно защитить потребитель энергии от перенапряжения, сначала необходимо проложить хорошее . Для этого используют схемы с защитным и разделенным нулевым проводником.

Далее, устанавливаются защитные устройства таким образом, чтобы расстояние от соседних устройств защиты было не менее 10 метров по проводу линии питания. Это правило важно для правильного порядка срабатывания защиты.

Если для питания используется воздушная линия, то оптимальным вариантом применения будет импульсная защита на базе плавких предохранителей и разрядников. В главном щитке дома устанавливаются защиты на варисторах 1 и 2 класса, в этажных щитках – 3 класса. Чтобы дополнительно защитить электрические потребители, в розетки втыкаются переносные импульсные защиты в виде удлинителей с предохранителями.

Такие меры защиты уменьшают вероятность воздействия от повышенного напряжения, но полной гарантии не дают. Поэтому, во время грозовой погоды лучше всего, по возможности выключить чувствительные приборы и оборудование.

Как защитить само устройство защиты

Само устройство защиты также нуждается в обеспечении защиты от повреждений. Они могут возникнуть вследствие разрушения деталей при поглощении импульсов перенапряжения. Бывали случаи, что сами устройства защиты загорались, и являлись причиной пожара.

• Устройства класса 1 защищаются вставками на 160 ампер.
• Класс 2 предохраняется вставками на 125 ампер.

Если номинал предохранителя выше рекомендованного, то нужно установить вспомогательную вставку, защищающую детали щита от неисправностей. При длительном действии большого напряжения на защиту, варисторы сильно нагреваются. Терморасцепитель выключает защиту от питания в случае достижения варистором температуры критического значения.

Импульсная защита может быть оборудована . Защита 1 класса может защищаться только вставками, так как вставки отключают токи короткого замыкания при большом напряжении.

Можно сделать вывод, что правильное использование импульсной защиты от перенапряжений дает возможность эффективно предохранять оборудование от неисправностей, вызванных чрезмерным напряжением линии питания.

Импульсная защита — как выбрать

по току молнии

Электроэнергия в здание может поступать по воздушной линии со следующими свойствами:

• Изолированные провода, самонесущие.
• Простые провода без изоляции.

Если провода воздушной линии и ее элементы имеют изоляцию, то это оказывает влияние на устройство действующей защиты и схемы подключения, а также снижается действие удара молнии.

При подключении дома от изолированной линии, заземление производится по схеме, изображенной на рисунке. Импульсная защита устанавливается между фазами и РЕN. Место разъединения РЕN на РЕ и N проводники при отдалении на 30 м от дома требует вспомогательной защиты.

Если на доме есть установленная молниезащита, имеются коммуникации из металла, то это оказывает влияние на схему и выбор подключения защиты от импульсов, а также отрицательно влияет на электробезопасность дома.

Варианты предполагаемых схем

1 вариант. Условия.

Электроэнергия поступает по изолированной воздушной линии.

• Без защиты от молнии.
• Нет металлоконструкций снаружи дома. Схема заземления выполнена по схеме TN – C — S.

Решение

В таком случае маловероятно, что будет непосредственный удар молнии в дом, по причине:

• Наличия изоляции проводов воздушной линии.
• Отсутствия громоотвода и наружных металлических коммуникаций на доме.

В итоге, достаточно будет защиты от импульсов большого напряжения, которые имеют форму 8/20 мкс для тока. Подходит защита от импульсов со смешанным классом защит в одном корпусе.

Диапазон тока от импульсов напряжения выбирается из интервала от 5 до 20 килоампер. Лучше выбрать наибольшее значение.

2 вариант. Условия.

Электрический ток поступает по изолированной воздушной линии.

• Отсутствует защита от молнии.
• Снаружи дома есть коммуникации из металла для газо- или водопровода. Система заземления выполнена по схеме TN-C-S.

Решение

Если сравнивать с предыдущим вариантом, то здесь может быть удар молнии по трубе с током до 100 килоампер. Внутри трубы этот ток разделится на два конца по 50 килоампер. С нашей стороны здания эта часть поделится по 25 килоампер на здание и заземление.

РЕN провод возьмет на себя часть в 12,5 килоампер, а остальная часть импульса такой же величины через устройство защиты будет проходить в фазный проводник. Можно применять такое же устройство защиты, как и раньше.

3 вариант. Условия.

Электроэнергия поступает по воздушной линии без изоляции.

Решение

Большая вероятность разряда молнии в провода, у здания применяется схема заземления ТТ.

Должна быть обеспечена импульсная защита, как от проводов фаз относительно земли, так и от нулевого провода. Защита от нулевого провода относительно земли используется редко, по причине местных условий.

При монтаже проводов к открытой линии без изоляции, на безопасность дома оказывает влияние форма ответвления, которая может производиться:

• Кабелем.
• Проводами с изоляцией, как на изолированной воздушной линии.
• Оголенными проводами.

При ответвлениях по воздуху меньше рисков создают изолированные провода сечением не менее 16 мм кв. В такие провода вероятность удара молнии очень мала. Разряд молнии возможен в узел разделки проводов возле изоляторов на вводе. В этом случае на фазе возникнет половина напряжения от разряда молнии.

3.7. Импульс напряжения и временное перенапряжение

Искажение формы кривой питающего напряжения может происходить за счет появления высокочастотных импульсов при коммутациях в сети, работе разрядников и т.д. Импульс напряжения - резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня. Величина искажения напряжения при этом характеризуется показателем импульсного напряжения (рис.3.7).

Рис.3.7 Параметры импульсного напряжения

(3.22)

Где U имп - значение импульсного напряжения, В.

Амплитудой импульса называется максимальное мгновенное значение импульса напряжения. Длительность импульса - это интервал времени между начальным моментом импульса напряжения и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до первоначального или близкого к нему уровня.

Показатель - импульсное напряжение стандартом не нормируется.

Временное перенапряжение - повышение напряжения в точке электрической сети выше 1,1 U ном продолжительностью более 10 мс, возникающие в системах электроснабжения при коммутациях или коротких замыканиях (рис. 3.8).

Временное перенапряжение характеризуется коэффициентом временного перенапряжения (K пер.U): это величина, равная отношению максимального значения огибающей амплитудных значений напряжения за время существования временного перенапряжения к амплитуде номинального напряжения сети.

Длительностью временного перенапряжения называется интервал времени между начальным моментом возникновения временного перенапряжения и моментом его исчезновения.

Коэффициент временного перенапряжения стандартом также не нормируется.

Значения коэффициента временного перенапряжения в точках присоединения электрической сети общего назначения в зависимости от длительности временных перенапряжений не превышают значений приведеных в таблице 3.3 .

Таблица 3.3 Зависимость коэффициента временного перенапряжения от длительности перенапряжения

В среднем за год в точке присоединения возможны около 30 временных перенапряжений.

При обрыве нулевого проводника в трехфазных электрических сетях напряжением до 1 кВ, работающих с глухозаземленной нейтралью, возникают временные перенапряжения между фазой и землей. Уровень таких перенапряжений при значительной несимметрии фазных нагрузок может достигать значений междуфазного напряжения, а длительность нескольких часов.