В настоящее время на отечественном рынке появился целый ряд компаний-поставщиков, предлагающих широкий ассортимент устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Это стало явно заметно по результатам прошедших за последние два года выставок.
В большинстве случаев речь идет о фирмах, занимающихся продажей изделий, выпускаемых в Западной Европе, или об иностранных поставщиках, которые осуществляют поставки разнообразных технологических комплексов «под ключ». В результате, очень часто изделия разных производителей при установке на одном и том же объекте комбинируются между собой без какой-либо предварительной проверки их взаимной совместимости по амплитудам пропускаемых импульсных токов и уровням остающихся напряжений (уровней защиты). То есть появляется, так называемая, несогласованность между устройствами защиты и оборудованием.
Ситуацию к тому же частично усложняет то, что большинство видов предлагаемых УЗИП сконструировано в соответствии с немецким стандартом DIN VDE 0675. Данный стандарт имеет много общего со стандартом Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) IEC 61643—1:1998 и его более поздними редакциями, но все же, он является национальным стандартом Германии. В России же действует ГОСТ Р 51992—2002 (Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Часть 1. Требования к работоспособности и методы испытаний), который является аутентичным тексту приведенного выше стандарта МЭК 61643—1:1998. И именно он должен приниматься за основу при сертификации данного оборудования. Надо добавить и то, что право выдачи сертификатов соответствия принадлежит техническому комитету ТК 331 «Низковольтная коммутационная аппаратура и комплектные устройства распределения, защиты, управления и сигнализации» при Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии на основе результатов испытаний в аккредитованных им лабораториях или испытательных центрах. Сейчас уже стали известны факты выдачи подобных сертификатов, не имеющими на это права сертификационными органами. Выявление таких случаев и принятие мер по их исключению так же входит в функции ТК 331.
Что касается отечественных производителей, можно отметить, что в области напряжений свыше 1 кВ ограничители перенапряжений (ОПН) выпускаются в очень широком ассортименте и хорошего качества. Для напряжений менее 1 кВ данная проблема пока остается не решенной в достаточной степени. Устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) отечественного производства, полностью соответствующих требованиям ГОСТ Р 51992—2002 на рынке до недавнего времени найти было невозможно. Сейчас, делаются первые шаги по организации производства устройств II и III классов. Их качество и доступность будут показаны временем. В большинстве же случаев выпускаемые варисторные УЗИП имеют примитивную конструкцию, основу которой составляет дисковый варистор и два приваренных к его боковым плоскостям болта или гайки (или т.п.). Производятся такие устройства на том же оборудовании, что и варисторы для высоковольтных ОПН, и по своей сути являются составными элементами такого высоковольтного ограничителя перенапряжений. Существуют УЗИП, предназначенные для установки на DIN-рейку 35 мм, но и они, и описанные выше конструкции не имеют в своем составе устройства теплового отключения, предназначенного для защиты неисправного варистора от перегрева при возникновении токов утечки и, соответственно, от вероятности возникновения пожара в электроустановке.
И еще необходимо добавить, что большая часть производимых отечественных УЗИП для низковольтных распределительных сетей относится всего лишь к третьему классу защиты согласно ГОСТ Р 51992. Эти устройства способны без разрушения или теплового пробоя варистора пропустить через себя максимальный импульсный ток Imax (волны 8/20 мкс) с амплитудным значением не более 10—15 кА, в то время как форма импульса тока при прямом ударе молнии Iimp описывается волной 10/350 мкс и значительно большими амплитудами тока (согласно [1, 2, 3]: 100, 150 × 200 кА (10/350 мкс) в зависимости от выбранного уровня надежности внешней системы молниезащиты). Таким образом, даже при условии того, что на долю ввода электропитания придется лишь часть тока, вызванного прямым ударом молнии (например 10—20%, с учетом его растекания по другим металлоконструкциям объекта [8]), а амплитудное значение тока Iimp (волны 10/350 мкс) может и не превысить значения Imax (волны 8/20 мкс) = 15 кА, при этом за счет большей почти на порядок длительности импульса тока Iimp, выделенная на варисторе тепловая энергия приведет к его выходу из строя! Этот процесс может сопровождаться взрывным разрушением варистора, что может стать причиной серьезных травм, повреждения изоляции проводников в электроустановке, а также за счет интенсивного искрения привести к возникновению пожара. Вопрос же защиты потребителей электроэнергии при этом может остаться нерешенным, так как часть импульса тока после выхода УЗИП из строя беспрепятственно пройдет непосредственно в защищаемое оборудование и неизбежно повредит его.
Несогласованность терминологии и системы обозначений
Существует очень важное правило: чтобы грамотно и быстро решать любую техническую проблему, необходимо иметь единую терминологию, систему обозначений основных параметров и применяемых сокращений.
Целью данной статьи не является поиск и глубокий анализ всех имеющихся недостатков и ошибок теоретического и конструктивного характера, возникающих при производстве и эксплуатации УЗИП. Но, тем не менее, привлечь внимание потребителей к данной проблеме необходимо. Хотя бы потому, что предусмотренные стандартом IEC 61643—1:1998 термины, определения и обозначения перенесены в ГОСТ Р 51992—2002 и имеют четкие и понятные формулировки, которые и рекомендуется использовать.
Ниже приведены наиболее часто встречающиеся недостатки, касающиеся определений, терминологии и сокращений:
Стандартом для низковольтных распределительных сетей предусмотрен термин «устройство защиты от импульсных перенапряжений», сокращение — УЗИП.
Определение: Устройство защиты от перенапряжений (УЗИП) — это устройство, которое предназначено для ограничения переходных перенапряжений и для отвода импульсов тока. Это устройство содержит, по крайне мере, один нелинейный элемент.
В качестве элементной базы для создания УЗИП, как правило, используют разрядники различных типов, оксидно-цинковые варисторы и полупроводниковые элементы
В рекламной продукции, сопроводительной документации данные устройства могут называться ограничителями перенапряжений (ОПН). Термин используется в высоковольтной технике и обозначает варисторные устройства, предназначенные для защиты оборудования электростанций, подстанций, высоковольтных линий электропередачи и т.д. Он не подразумевает использования искровых или газонаполненных разрядников, а также полупроводниковых приборов (первых — по причине сложности гашения сопровождающих токов больших величин, вторых — по причине маленьких значений выдерживаемых импульсных токов и напряжений). Однако на некоторых типах высоковольтных воздушных линий применяются длинно-искровые разрядники петлевого типа РДИП.
Иногда весь спектр устройств защиты от импульсных перенапряжений (I, II, и III-го классов) называют грозоразрядниками, разрядниками грозового тока и т.п., совершенно не привязываясь к предусмотренной ГОСТ классификации и не учитывая, что данные устройства могут защищать от перенапряжений не только вызванных ударом молнии, но и возникших в результате рабочих переключений оборудования на подстанциях, однофазных коротких замыканиях на высоковольтных линиях или при работе низковольтных нагрузок, имеющих в своем составе ключевые преобразователи (например, тиристорные выпрямители, сварочные аппараты).
И еще, обязательно надо отметить недостаточную корректность термина устройство защиты от перенапряжений (УЗП), который использован в новой «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций», СО-153—34.21.122—2003. Приведенный выше термин не раскрывает главную суть и характеристику данного типа устройств. Перенапряжения, согласно ГОСТ-13109—97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», могут быть импульсными и временными. Импульсные перенапряжения данным ГОСТом не нормируются, но в то же время ГОСТ предусматривает нормирование временных перенапряжений, длительность которых превышает 10 мс, а амплитуда превышает значение 1.1 Uном (где Uном — номинальное напряжение сети). Устройства, предназначенные для защиты от импульсных перенапряжений, как правило, сами нуждаются в дополнительной защите от временных перенапряжений, в случае превышения ими максимального длительного рабочего напряжения Uс, предусмотренного производителем. Такие перенапряжения приводят УЗИП к выходу из строя, часто сопровождающемуся большим нагревом и разрушением как самого нелинейного элемента, так и корпуса устройства, а иногда и возгоранием.
Примером такой ситуации может быть повышение напряжения по вине поставщика электроэнергии или обрыв (отгорание) нулевого проводника при вводе в электроустановку (в трехфазной сети с глухозаземленной нейтралью трансформатора). Как известно, в последнем случае к однофазной нагрузке может оказаться приложенным межфазное напряжение величиной до 380 В. При этом устройство защиты от импульсных перенапряжений откроется, и через него начнет протекать ток. Величина этого тока будет стремиться к величине тока короткого замыкания (рассчитывается по общеизвестным методикам для каждой точки электроустановки) и может достигать нескольких сотен ампер (и более). Практика показывает, что терморасцепитель варисторного УЗИП не успевает отреагировать в подобных ситуациях из-за тепловой инерционности конструкции. Варистор, как правило, разрушается в течение нескольких секунд, после чего режим короткого замыкания также может сохраняться через дугу (по продуктам разрушения и горения варистора. При этом возникает вероятность замыкания клемм устройства на корпус шкафа или DIN-рейку при расплавлении пластмассы корпуса и возможность повреждения изоляции проводников в цепях включения защитных устройств.
На фотографии (рис. 1) показаны последствия подобной ситуации, в результате которой произошел пожар в распределительном щите.
На рис. 2 показано варисторное УЗИП, которое в результате аварийной ситуации стало источником пожара в щите.
Сказанное выше относится не только к варисторным устройствам, но и к УЗИП на базе разрядников, которые не имеют в своем составе терморасцепителя. Для того, чтобы предотвратить подобные последствия, рекомендуется устанавливать последовательно с устройствами защиты от импульсных перенапряжений предохранители с характеристиками срабатывания gG или gL (классификация согласно требованиям стандартов ГОСТ Р 50339.0—92 (МЭК 60269—1—86) или VDE-0636 (Германия) соответственно). На рисунке 3 показан вариант включения предохранителей в схему электроустановки.
Номиналы предохранителей и тип их время токовых характеристик определяются конкретным производителем УЗИП и отражаются в технической документации. Как уже указывалось выше, для этих целей обычно используются предохранители с характеристикой gG или gL (с кратностью 1,2 -: 3), предназначенные для защиты проводников и коммутационного оборудования от перегрузок и коротких замыканий. Они обладают значительно меньшим временем срабатывания по сравнению с автоматическими выключателями тех же номиналов. При этом предохранители имеют более высокую стойкость к импульсным токам значительных величин, соответственно являются более простыми и надежными по конструкции.
Примерный вариант выбора номиналов предохранителей (зависит от требований производителя УЗИП) для схемы, рассмотренной на рисунке 3, показан ниже:
- при номинале предохранителей FU1-FU3 более 315 А gG (или их отсутствии), номиналы FU4-FU6 выбираются — 315 А gG, номиналы FU7-FU9 выбираются — 160 А gG;
- при номинале предохранителей FU1-FU3 менее 315 А gG, но более 160 А gG, предохранители FU4-FU6 можно не устанавливать, номиналы FU7-FU9 выбираются — 160 А gG.
- при номинале предохранителей FU1-FU3 менее 160 А gG, предохранители FU4-FU6 и FU7-FU9 можно не устанавливать.
- при наличии разделительных дросселей LL1-LL3 номинал предохранителей FU1-FU3 должен соответствовать номинальному току дросселей.
Следует обратить внимание на то, что ведущие и общепризнанные производители УЗИП в своих схемных решениях показывают именно предохранители, а не автоматические выключатели, в том числе и перед точкой установки УЗИП. Здесь можно говорить о непредвзятом выборе технического решения, так как никто из данных производителей не выпускает ни предохранители, ни автоматы.
Практический же опыт и данные экспериментальных испытаний показывают, что автоматические выключатели довольно часто повреждаются при воздействии импульсных перенапряжений. Известны случаи подгорания контактов или приваривания их друг к другу. И в том и в другом случае автоматический выключатель не сможет в дальнейшем выполнять свои функции. Кроме этого, при установке автоматических выключателей последовательно с УЗИП (вместо FU4-FU6 и FU7-FU9 на рис. 3) за счет элементов их внутренней конструкции, имеющих индуктивные свойства, а следовательно, и повышенное индуктивное сопротивление при протекании импульсных токов, в точках подключения данной цепочки к защищаемой линии может повышаться значение остающегося напряжения, приложенного к нагрузке. Более подробно вопросы правильного выбора предохранителей и автоматических выключателей в цепях защиты УЗИП будут рассмотрены в следующих статьях.
Вывод: Безусловно, электроустановка должна быть дополнительно защищена от воздействия временных перенапряжений при помощи специальных устройств, к которым можно отнести, например, реле контроля напряжения с функцией управления контактором или реле контроля фаз и другие подобные им приборы, широко представленные на рынке (рисунок 4).
Требования к обозначениям параметров УЗИП
Для того, чтобы правильно выбрать устройство защиты от импульсных перенапряжений для конкретной цели, проектировщику или потребителю необходима следующая информация, которая обязательно должна быть показана в каталоге и нанесена на лицевой части корпуса УЗИП:
Un — номинальное напряжение сети. В большинстве случаев оно выбирается равным 230 В. Хотя производятся устройства с другими номинальными напряжениями.
Uс — максимальное длительное рабочее напряжение — это максимальное напряжение действующего значения переменного или постоянного тока, которое может длительно подаваться на выходы УЗИП.
Iimp — импульсный ток. Определяется пиковым значением тока Ipeak и зарядом Q (применяется, как правило, испытательный импульс с формой волны 10/350 мкс). Применяется для испытаний защитных устройств класса I.
Imax — максимальный импульсный разрядный ток. 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.
In — номинальный импульсный разрядный ток. Это пиковое значение тока, протекающего через УЗИП, с формой волны 8/20 мкс. Применяется для испытания УЗИП класса II. Ток данной величины защитное устройство может выдерживать многократно. При воздействии данного импульса определяется уровень защиты устройства. По этому параметру также производится координация других характеристик УЗИП, а также норм и методов его испытаний.
Up — уровень напряжения защиты. 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 импульсного разрядного тока (In).
If — сопровождающий ток. (Параметр для УЗИП на базе разрядников). Это ток, который протекает через разрядник после окончания импульса перенапряжения и поддерживается самим источником тока, т. е. электроэнергетической системой. Теоретически значение этого тока стремится к расчетному току короткого замыкания (в точке установки разрядника для данной конкретной электроустановки). На практике же, сам разрядник своим внутренним сопротивлением уже существенно ограничивает этот ток.
Код IP — степень защиты, обеспечиваемая оболочкой. Определяется производителем, согласно ГОСТ 14254.
ν — диапазон рабочих температур УЗИП.
ta — время реагирования защитного устройства на импульсное воздействие.
Класс защитного устройства I, II или III. Указывается в соответствии с ГОСТ Р 51992—2002 (МЭК 61643—98).
Наиболее часто встречающиеся недостатки в обозначении параметров и маркировке УЗИП
Не указывается класс УЗИП (I, II или III, в соответствии с ГОСТ Р 51992—2002 (МЭК 61643—1—98) вообще, или обозначается буквами B, C, D без ссылки на некоторый стандарт. Буквенное обозначение, например, принято в немецком национальном стандарте DIN VDE 0675, который не может быть использован в России как нормативный документ.
Не указывается диапазон рабочих температур прибора ν.
Данные основных параметров УЗИП, приведенные на фирменных табличках и в сопроводительной документации, часто значительно отличаются (завышаются) от данных, получаемых при испытании защитных устройств соответствующими импульсными токами и напряжениями в специальных лабораториях. Это касается, прежде всего, указываемых максимальных значений испытательных импульсных разрядных токов Iimp (10/350), Imax (8/20), In (8/20), а так же данных, определяющих максимальную удельную энергию W/R и максимальный заряд Q для УЗИП I и II классов. Частично этот недостаток можно объяснить разбросом параметров самих нелинейных элементов, которые обязательно существуют при их серийном производстве.
Кроме перечисленного выше, часто не указывается, какие критерии были положены в определение параметра Up (уровень напряжения защиты).
Совершенно ясно, что для УЗИП на базе разрядника параметр Up будет зависеть в первую очередь от крутизны фронта импульса и времени реагирования ta самого разрядника, которое в свою очередь зависит от его конструкции (рисунок 5).
Для варисторного УЗИП уровень напряжения защиты Up будет напрямую зависеть от амплитудного значения импульсного тока, и не будет зависеть от длительности и фронта импульса (падение напряжения на открытом варисторе зависит от его сопротивления и величины протекающего тока). Поэтому некоторые поставщики УЗИП часто показывают более низкое значение Up, что, конечно же, является более привлекательным для потребителя. При этом они не акцентируют внимание на том, при каком значении импульсного тока оно было измерено (In; Imax или при каком то меньшем — рисунок 6).
Сказанное выше подтверждается осциллограммами, полученными при испытании УЗИП на базе разрядника и варистора комбинированной волной напряжения и тока (формы 1.2/50 мкс и 8/20 мкс соответственно (рисунок 7 а-в).
( Продолжение.)
А. Л. ЗОРИЧЕВ,
заместитель директора ЗАО «Хакель Рос».
