Защита оборудования от импульсных перенапряжений по цепям питания 220/380В

Опубликовано: 27 ноября 2012 г. в 09:20, 837 просмотровКомментировать

Если принято решение защитить электрооборудование по цепям питания, то встают две проблемы: правильно подобрать УЗИП и правильно смонтировать систему внутренней молниезащиты.

Выбор УЗИП осуществляется по нескольким параметрам.
Первое — выбор по классу испытаний, исходя из зон воздействия молнии.
Второе — по типу системы электроснабжения (TNC, TNS, одно- или трёхфазное).
Третье — по ожидаемой мощности импульса.
Четвертое — по способу установки (DIN-рейка, плоская поверхность и т.д.).

Существует такое понятие, как зоны воздействия молнии. Согласно международному стандарту (МЭК 62305-1) принято различать пять зон воздействия молнии:

Зона 0а — зона внешней среды объекта, все точки которой могут подвергаться прямому удару молнии и возникающему при этом электромагнитному полю.

Зона 0в — зона внешней среды объекта, точки которой не подвергаться прямому удару молнии, при этом протекают частичные токи молнии и не ослаблено полное электромагнитное поле.

Зона 1 — зона внутри объекта, точки которой не подвергаться прямому удару молнии, но учитывается индуцированный или частичный ток молнии и ослабленное полное электромагнитное поле.

Зона 2 — зона внутри объекта, точки которой не подвергаться прямому удару молнии, но учитывается индуцированный или ограниченный ток молнии и ослабленное магнитное поле.

Зона 3 — зона внутри объекта, точки которой не подвергаться прямому удару молнии, но учитываются индуцированные молнией токи и еще более ослабленное магнитное поле.

Схематическое расположение этих зон для наиболее распространённой системы TN-C-S, показано на рисунке 1.

Выбор УЗИП
Рисунок 1. Разделение защищаемого объекта на зоны

Технически разделение между зонами осуществляется УЗИП. Так, уровень защиты УЗИП 1-го класса при переходе в зону 1 составляет 4кВ, 2-го класса при переходе в зону 2-2,5 кВ и 3-го класса при переходе в зону 3-1,5 кВ. Что в свою очередь соответствует категориям импульсной стойкости изоляции защищаемого оборудования.

Если на здании или в непосредственной близости от него есть молниеприемники или имеется воздушный ввод в здание, то необходимо установить во вводной щит УЗИП 1-го или 1+2 класса. Если вероятность попадания части тока молнии в систему электроснабжения отсутствует, то можно использовать УЗИП класса 2.

Считается, что при попадании молнии в систему внешней молниезащиты половина тока молнии уходит в землю, а вторая половина попадает на главную заземляющую шину (ГЗШ)(рис.2). Далее эти 50% тока распределяются равномерно по всем присоединенным к ГЗШ коммуникациям. Отсюда делается вывод, что мощность УЗИП определяется именно этой частью. Есть определённые сомнения в точности приведённых расчетов, т.к. вряд ли по силовому кабелю и телефонному проводу пойдут одинаковые токи. Да и по СНиПу водопроводные и отопительные трубы на вводе в здание должны иметь изолирующие вставки. Поэтому более правильным было бы считать, что те 50% тока молнии, которые попадают на ГЗШ, идут через УЗИП по силовому кабелю питания.

Выбор УЗИП
Рисунок 2. Распределение токов молнии согласно МЭК

Учитывая, что 99% ударов молний на равнинах с умеренным климатом имеют амплитуду менее 100кА, в расчетах можно исходить из этой цифры. И тогда при наличии УЗИП по каждому проводу питания пойдёт около ¼ от тех 50кА, которые попадут на ГЗШ (при режиме нейтрали TNC), т.е. около 12,5кА. Это как раз та самая минимальная величина Iimp (10/350), допустимая для 1-го класса УЗИП по МЭК 51992-2002. С учетом приблизительности всех этих расчетов, лучше брать УЗИП с током не менее 20кА (10/350) на полюс.

Если же вероятность попадания части прямого тока молнии исключена, то можно сразу ставить УЗИП 2-го класса. Рассчитать, даже приблизительно, мощность наведённого импульса довольно сложно, поэтому для этих устройств наиболее ходовыми являются типовые параметры In=20kA (8/20) и Imax=40kA (8/20).

Выбор УЗИП

Для защиты наиболее ответственного и чувствительного оборудования непосредственно перед ним необходимо устанавливать УЗИП 3-го класса, в этом случае часто бывает целесообразно применить УЗИП со встроенным ВЧ-фильтром, который не только защищает от импульсных перенапряжений, но и фильтрует ВЧ помехи малой амплитуды, например DS-HF.

Если вас не интересует весь объект целиком, а нужно защитить только одну комнату с оборудованием, например с сервером, то принципы подбора УЗИП мало отличаются от вышеизложенного.

А теперь, когда определено, какие УЗИПы и где ставить, можно рассмотреть некоторые особенности их монтажа. Устройства для защиты по питанию могут иметь три типа подключения:

  • параллельный или Т-образный, когда УЗИП подключается параллельно питающей цепи. Рабочий ток при этом через устройство защиты не идёт, т.е. вы можете его использовать при любой мощности системы электроснабжения. Сечение соединительных проводников должно выбираться в соответствии с рекомендациями производителя УЗИП.
  • Выбор УЗИП
    Рисунок 4. Т-образное подключение УЗИП
  • последовательный, когда УЗИП ставится в разрыв питающего провода. В этом случае устройство защиты должно иметь номинальный ток нагрузки IL больше максимального рабочего тока цепи, в которую оно установлено. Примером может служить DS-HF на Рис.2.
  • V-образный тип подключения, когда рабочий ток цепи протекает по медному шунту, установленному внутри УЗИП. При таком подключении сечение ваших рабочих проводников не должно превышать максимально допустимого для УЗИП сечения (Рис.4).
Выбор УЗИП
Рисунок 5. V-образное подключение УЗИП

Ещё одна особенность параллельного монтажа УЗИП заключается в том, что соединительные провода между УЗИП и точкой присоединения к сети не должны превышать 0,5м (МЭК 60364-5-534-97). Это связано с тем, что микросекундный импульс перенапряжения является высокочастотным сигналом и имеет очень крутой фронт. А любой проводник, кроме активного сопротивления, имеет ещё и индуктивное. Оно очень маленькое, примерно 1 мкГн/м при сечении провода 16 кв.мм, и на промышленной частоте им обычно пренебрегают. Но при крутизне фронта тока (di/dt) 1кА/мкс на каждом метре провода падает 1кВ (Рис.5).

Выбор УЗИП

И это напряжение складывается с остаточным напряжением УЗИП и прикладывается к оборудованию (Рис.6). При этом амплитуда импульса может значительно превысить допустимые для данного оборудования значения.

Именно по этой причине нельзя ставить вместо предохранителей FU 1-3 автоматические выключатели. Каждый автоматический выключатель содержит катушку индуктивности, стоящую последовательно в рабочей цепи и имеющую индуктивность значительно большую, чем метр прямого провода. И в случае использования автоматического выключателя при приходе импульса всё напряжение упадёт на нём, а УЗИП при этом почти не будет работать. В результате может пострадать защищаемое оборудование.

Выбор УЗИП

Ещё один вопрос, который обычно встает перед инженером — нужно ли ставить УЗИП 2 или 3 класса после устройства типа 1+2 или 1+2+3, установленного во вводном щите? Ведь уровень напряжения защиты у этого устройства (Up) не более 1,5кВ, что не превышает уровень, характерный для 3 класса. Ответ — не обязательно, если расстояние по кабелю от УЗИП 1+2 класса до защищаемого оборудования не более 15м и рядом нет источников сильных наводок. Если же расстояние более 15 метров, то ставить необходимо, т.к. ситуация может развиваться, например, как на рис.7. Здесь пришедший импульс перенапряжения ограничивается УЗИП до 1,5кВ, а уже внутри здания на него накладывается помеха, наведённая от различного мощного электротехнического оборудования. Сами по себе уровни этих помех не превышают допустимый, для защищаемого оборудования, но вместе эти перенапряжения могут привести к сбоям и даже выходу оборудования из строя.

Для эффективной защиты от перенапряжений по линии питания расстояние от места подключения УЗИП 2 или 3 класса до защищаемого оборудования не должно превышать 5м.

В заключении можно отметить, что защита оборудования от перенапряжений — это вопрос комплексный и не ограничивается установкой УЗИП, ведь без качественной системы заземления и уравнивания потенциалов работа УЗИП будет неэффективной. Также не надо забывать о таких способах улучшения электромагнитной обстановки, как экранирование и прокладка линий питания с учётом электромагнитной совместимости.

Анатолий Васин, Евгений Кузьминский, www.frt-group.ua

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.