В настоящей статье рассмотрены наиболее общие вопросы применения устройств защиты от импульсных перенапряжений, даны рекомендации по их подбору и монтажу.
Настоящий этап развития техники и технологии характеризуется тем, что электрооборудования, в том числе электронного, на объектах народного хозяйства и в быту становится всё больше и больше, а само оборудование становится всё сложнее и дороже. А чем сложнее оборудование, тем оно чувствительней к различным перенапряжениям и помехам.
В данной статье рассматриваются отдельные вопросы защиты оборудования от микросекундных импульсных перенапряжений большой мощности, приходящих по цепям питания. Защита от таких перенапряжений — вопрос комплексный и в рамках одной статьи неподъёмный, поэтому остановимся на одном аспекте этой защиты — применении Устройств Защиты от Импульсных Перенапряжений (УЗИП).
Нормативная база применения УЗИП
Что такое УЗИП? Основной российский документ, определяющий, что такое УЗИП, это ГОСТ Р 51992-2002 «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах».
Согласно этому ГОСТу «Устройство для защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП): устройство, которое предназначено для ограничения переходных перенапряжений и отвода импульсов тока. Это устройство содержит, по крайней мере, один нелинейный элемент». Стандарт распространяется на устройства для защиты электрических сетей и электрооборудования при прямом или косвенном воздействии грозовых или иных переходных перенапряжений. Данные устройства предназначены для подсоединения к силовым цепям переменного тока частотой 50-60 Гц на номинальное напряжение до 1000В (действующее значение) или 1500В постоянного тока.
В зависимости от класса испытаний УЗИП делятся на 3 типа.
Испытания класса I предназначены для имитации частично направленных грозовых импульсов тока. УЗИП, подвергаемые таким испытаниям, рекомендуются для установки на линейных вводах в здания, защищённые молниезащитными системами, а также при воздушном вводе питания. Характерной особенностью данного класса является испытание импульсным током Iimp c формой волны 10/350 мкс (1). Важнейшим параметром, характеризующим УЗИП, является уровень напряжения защиты Up, который измеряется при In. Это «параметр, характеризующий УЗИП в части ограничения напряжения на его выводах, который выбран из числа предпочтительных значений». Его значение всегда выше остаточного напряжения Ures , т.е. пикового значения, появляющегося на выводах УЗИП вследствие прохождения разрядного тока заданной амплитуды. Up не должен превышать стойкость электрооборудования к импульсному напряжению, определённому в ГОСТ Р 50571.19-2000. Поэтому принято, что для УЗИП 1-го класса Up не превышает 4 кВ.
Стандартный испытательный импульс
Испытания класса II предназначены для имитации наведённого в проводниках под действием электромагнитного поля импульса. УЗИП, подвергаемые таким испытаниям (УЗИП 2-го класса), предназначены для установки после УЗИП 1-го класса в промежуточные шкафы, либо во вводной шкаф, если отсутствует вероятность попадания части прямого тока молнии в систему электроснабжения. Испытания проводятся номинальным разрядным током In и максимальным разрядным током Imax . Оба импульса имеют форму волны 8/20 мкс, но разную амплитуду. При этом Imax > In. Импульс In УЗИП должен выдержать многократно при условии его остывания до комнатной температуры в промежутке между импульсами. Обычно количество выдерживаемых импульсов от 5 до 15 (по ГОСТу количество не установлено и определяется производителем, по МЭКу – 15 импульсов). Импульс Imax УЗИП должен выдержать однократно, при этом его дальнейшая работа в соответствии с заявленными параметрами не гарантируется (но возможна). Уровень напряжения защиты Up для устройств 2-го класса не должен превышать 2,5 кВ.
Испытания класса III также имитируют наведённый импульс, но испытываются комбинированной волной напряжения 1,2/50 мкс и тока 8/20 мкс. При этом в параметрах указывается напряжение разомкнутой цепи Uoc и номинальный In и максимальный Imax токи. Уровень напряжения защиты Up для 3-го класса не должен превышать 1,5 кВ. Это тот уровень, который должна выдерживать техника, даже не проходившая испытаний на устойчивость к микросекундным импульсным перенапряжениям. Поэтому данные устройства рекомендуется использовать в непосредственной близости от защищаемого оборудования (желательно не далее 5-7 метров, а в общем, чем ближе, тем лучше).
Ещё несколько важных параметров, которые необходимо знать для подбора УЗИП.
Максимальное длительное рабочее напряжение Uc — действующее значение переменного или постоянного тока, которое длительно подаётся на выводы УЗИП. Оно равно номинальному напряжению с учетом возможного завышения напряжения при различных нештатных режимах работы сети.
Номинальный ток нагрузки IL — максимальный длительный переменный (действующее значение) или постоянный ток, который может подаваться к нагрузке, защищаемой УЗИП. Данный параметр важен для УЗИП, подключаемых в сеть последовательно с защищаемым оборудованием. Так как большинство УЗИП подключаются параллельно цепи, то данный параметр у них не указывается.
Оценка необходимости использования УЗИП
Итак, применять или не применять УЗИП? Для ответа на этот вопрос имеются два подхода. Первый подход — формальный. Обязательность применения УЗИП прописаны в ПУЭ 7-е издание (п. 7.1.22), СП31-110-2003 (п. А5.2), ГОСТ Р 50571.19-2000, а также в некоторых ведомственных документах (РД Транснефть, СТО Газпром, СТО ФСК ЕЭС, РЖД). Если ваш объект попадает под действие этих документов, то применять надо обязательно, если нет, то можно перейти ко второму, неформальному, подходу и продолжить анализ ситуации.
Так как УЗИП защищает в основном электронное оборудование (или электронные блоки питания такого оборудования), надо понять, есть ли вам что защищать. И здесь надо учитывать не только стоимость самого оборудования, но и возможные последствия выхода его из строя или даже просто сбоев в работе. Иногда выход из строя копеечного прибора приводит к остановке всего техпроцесса и многомиллионным потерям.
Далее надо попытаться понять, насколько велика вероятность попадания импульса на ваше оборудование, а также характер и величину этого импульса. Так, если объект расположен в городе и вокруг стоят более высокие дома, то вероятность попадания к вам серьёзного импульса перенапряжения достаточно мала. Если же объект стоит в чистом поле рядом с мачтой связи, то есть реальная возможность словить не только наведённый импульс, но и часть тока молнии (2). А если вы ещё и питаетесь от воздушной линии, то вероятность такого исхода значительно увеличивается.
Возможные пути проникновения импульсов на объект
Существует стандарт МЭК 62305-2 по оценке рисков, связанных с молниезащитой. Российские федеральные стандарты не содержат методики расчета или чётких рекомендаций о необходимости применения специализированных защитных устройств. Поэтому приходится проводить эту оценку экспертно, основываясь на результатах комплексной оценки электромагнитной обстановки объекта.
Подбор типа УЗИП
Итак, в результате анализа потенциальных рисков Вы пришли к выводу, что выгоднее применить УЗИП, чем потом ликвидировать последствия экономии. Теперь предстоит выбор конкретных устройств защиты и размещение их на объекте.
Если решено защищать целиком всё здание и оборудование в нём, то прежде всего надо подобрать УЗИП для установки во вводной шкаф. Если на здании или в непосредственной близости от него есть молниеприемники или имеется воздушный ввод, то необходимо устанавливать УЗИП 1-го или 1+2 класса. Рекомендации МЭК по выбору мощности УЗИП показаны на 3.
Количественная и качественная оценка растекания токов молнии на объекте, оснащенном внешней молниезащитой.
Считается, что при попадании молнии в систему внешней молниезащиты половина тока молнии уходит в землю, а вторая половина попадает на главную заземляющую шину (ГЗШ). Далее эти 50% тока распределяются равномерно по всем присоединенным к ГЗШ коммуникациям. Отсюда делается вывод, что минимальная мощность УЗИП определяется именно той частью тока молнии, которая попадёт в систему питания. Учитывая, что 99% ударов молний в России имеют амплитуду менее 100кА, в расчетах можно исходить из этой цифры. Если в объект входит только трёхфазное электропитание, 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. С учетом неравномерности распределения токов, рекомендуется брать УЗИП с Iimp не менее 20кА (10/350) на фазу. Примером такого устройства может служить DS253E-300 производства CITEL c Iimp =25кА на фазу (4).
Устройство защиты от импульсных перенапряжений 1 класса.
Если же вероятность попадания части прямого тока молнии исключена, то можно применить УЗИП 2-го класса. Точный расчёт наведённого на линию импульса перенапряжения представляет довольно сложную задачу, поэтому, основываясь на нашем многолетнем опыте, для этих устройств предлагаются следующие параметры: In=20kA (8/20) и Imax=40kA (8/20). Наиболее типичным представителем таких устройств является DS43S-230 производства CITEL (5).
Устройство защиты от импульсных перенапряжений 2 класса
УЗИП 2-го или 3-го класса могут также применяться после 1-го класса для защиты наиболее ответственного и чувствительного оборудования, если расстояние между ними более 15м.
Если нужно защитить только одну комнату с сервером внутри, то принципы подбора УЗИП мало отличаются от вышеизложенного. Можно только добавить, что в этом случае целесообразно применить УЗИП со встроенным ВЧ-фильтром, который не только защищает от импульсных перенапряжений, но и фильтрует ВЧ помехи малой амплитуды, например DS HF (6).
Устройство защиты от импульсных перенапряжений со встроенным ВЧ-фильтром
Требования к монтажу УЗИП
А теперь, когда определено, какие УЗИПы и где применять, можно рассмотреть некоторые особенности их использования. Устройства для защиты по питанию могут иметь три типа подключения:
— Т-образный (параллельный), 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.
— 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.
— V-образный тип подключения, когда рабочий ток цепи протекает по шунту, установленному внутри УЗИП (7). С точки зрения защиты от импульсных перенапряжений это оптимальная конфигурация.
V-образное подключение
Типовая схема Т-образного (параллельного) подключения УЗИП 1+2 класса в сеть TNC-S приведена на 8.
Т-образное подключение УЗИП
Здесь есть одна тонкость, связанная с применением плавких вставок FU 1-3. Существуют рекомендованные производителем УЗИП номиналы данных устройств, например, для УЗИП 1+2 ступени с импульсными токами 25кА (10/350) на фазу оптимальными являются вставки 125А по характеристике gG/gL. При этом номинале через плавкую вставку может пройти импульс 25 кА (10/350) и она останется целой. Если взять вставку меньшего номинала, УЗИП будет недоиспользован, т.к. при приходе мощного импульса плавкая вставка сгорит и исключит из работы вполне исправный УЗИП. Т.е. система защиты будет работать только при импульсах, значительно слабее тех, на которые рассчитан УЗИП. По рекомендациям МЭК номинал входного защитного устройства ВА должен быть на ступень больше, чем номинал предохранителей FU 1-3. В случае невозможности выполнения такого требования, предохранители FU 1-3 можно не устанавливать. При V-образном и последовательном соединении эти дополнительные предохранители отсутствуют в принципе.
Ещё одна особенность Т-образного монтажа УЗИП заключается в том, что длина соединительных проводов между УЗИП и точкой присоединения к сети не должны превышать 0,5м (ГОСТ Р 50571.26-2002). 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. И это напряжение складывается с остаточным напряжением УЗИП и прикладывается к оборудованию (9). При этом амплитуда импульса может значительно превысить допустимые для данного оборудования значения.
Именно по этой причине нельзя устанавливать вместо предохранителей FU 1-3 автоматические выключатели. Каждый автоматический выключатель содержит катушку индуктивности, стоящую последовательно в рабочей цепи. И в случае их использования при приходе импульса основное напряжение упадёт на автоматическом выключателе, а УЗИП при этом будет работать неэффективно. В результате такое подключение не обеспечит защиту оборудования.
Ещё один вопрос, который обычно встает перед инженером – нужно ли применять УЗИП 2 или 3 класса после устройства типа 1+2, 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 15-20м и рядом нет источников сильных наводок. Если же расстояние более 20 метров, то устанавливать необходимо, т.к. ситуация может развиваться, как на 10. 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.
Стоит отметить, что для эффективной защиты от перенапряжений расстояние от места подключения УЗИП 2 или 3 класса до защищаемого оборудования не должно превышать 5м.
В заключении можно отметить, что существующие на настоящий момент российские и международные стандарты предоставляют достаточно возможностей для защиты оборудования от микросекундных импульсных перенапряжений.
