Особенности выбора, эксплуатации и контроля технического состояния устройств защиты от импульсных перенапряжений

(Продолжение. Начало.)

Часто встречающиеся недостатки в конструктивном исполнении УЗИП I, II и III классов

В данном разделе будут рассмотрены некоторые конструктивные особенности исполнения устройств защиты от импульсных перенапряжений. Большинство из недостатков УЗИП вскрываются в процессе эксплуатации и заставляют производителей совершенствовать их конструкцию.

Многие фирмы предлагают УЗИП классов I и II, в конструкции которых предусмотрен съемный модуль с нелинейным элементом (разрядником или варистором). Данный модуль соединяется с основанием (базой) устройства при помощи ножевых контактов в модуле и ответных контактов в базе. Такое конструктивное исполнение кажется на первый взгляд более выгодным и удобным для заказчика, чем монолитный корпус, в связи с возможностью более простого осуществления измерения сопротивления изоляции электропроводки (при измерениях повышенными напряжениями этот модуль можно просто изъять) или замены модуля при выходе его из строя. Однако, в модульных конструкциях при низком качестве гальванического покрытия контактов (неравномерное покрытие, окислившаяся поверхность контакта и т.п.), недостаточной рабочей площади соприкосновения и малой степени прижатия контактных поверхностей друг к другу, способность таких соединений пропускать импульсные токи не превышает пределов I_max = 25 kA для волны (8/20 мкс) и I_imp = 20 kA для волны (10/350 мкс).

Несмотря на это, некоторые изготовители показывают в рекламных каталогах для защитных устройств подобного типа максимальные разрядные способности с величинами до I_max = 100 kA (8/20 мкс) или I_imp = 25 ÷ 50 kA (10/350 мкс), что определяется параметрами только лишь самого нелинейного элемента. К сожалению, это не всегда подтверждается практическими данными. Бывают случаи, когда уже при первом ударе испытательного импульса тока с указанными выше амплитудами может произойти пережигание и разрушение не только ножевых контактов сменного модуля, но также и повреждение ответных контактов в базе.

Результаты воздействия испытательного импульса тока I_max = 50 кА (8/20 мкс) на механическую часть и ножевой контакт варисторного УЗИП показано на фотографиях (рисунок 8).

Последствия испытания импульсным током с амплитудой I_imp = 50 кА (10/350 мкс) для случая с модульным УЗИП на базе разрядника показаны на рисунке 9. 

Очевидно, что после подобного воздействия сложным становится, собственно, сам вопрос извлечения вставки из базы, так как их контакты могут привариться друг к другу. Даже если вставку удастся отсоединить от базы, последнюю будет нельзя использовать далее из-за подгоревших контактов, которые приведут к резкому возрастанию переходного сопротивления и, соответственно, уровня защиты данного УЗИП.

Для того, чтобы избежать подобных последствий, необходимо быть абсолютно убежденным в качестве контактного соединения в применяемом УЗИП. Целесообразно защитные устройства модульной конструкции класса I применять только тогда, когда существует гарантия, что ожидаемые импульсные воздействия не превысят указанных ранее критических значений, а это довольно-таки сложно предсказать из-за их вероятных характеристик. Иными словами, когда существует вероятность прямого удара молнии непосредственно в объект (его систему внешней молниезащиты) или подводимую к объекту электро-питающую линию, в первой ступени защиты желательно применять моноблочные УЗИП класса I (без съемных модулей).

Единственным разумным вариантом применения модульных УЗИП класса II может быть их использование только в качестве второй ступени защиты при условии согласования их параметров (импульсных токов и уровней защиты) с УЗИП класса I, установленным в первой ступени.

Следующим, очень часто встречающимся серьезным недостатком УЗИП, особенно это касается УЗИП I и II классов, является конструкция клемм для подключения проводников. Существует конструкция клемм, у которых зажимной винт при его закреплении давит непосредственно на закрепляемый провод, причем, в точке соприкосновения возникает чрезмерно высокое давление, вызывающее так называемую «ползучесть» материала провода (обычно меди или алюминия). В результате после определенного времени ползучесть материала приводит к ослаблению контакта провода в корпусе клеммы и как следствие — к возникновению местного переходного сопротивления. Последнее при срабатывании УЗИП под воздействием импульсных разрядных токов с амплитудами в десятки кА вызывает искрообразование и обгорание всего зажима (рисунок 10), что приводит к отказу устройства в целом и повышению риска возникновения пожара.

Несколько замечаний по выбору типа и параметров защитных устройств

Анализ данных экспериментальных испытаний некоторых образцов УЗИП, а также информация, полученная в результате обмена опытом с теми, кто уже эксплуатирует подобные устройства, выявили целый ряд замечаний, которые мы рекомендуем учитывать при выборе типа УЗИП и оценке соответствия заявленных параметров его реальным возможностям. Ниже приведены некоторые из выводов (уже подтвержденные практикой):

1. Несоответствие указываемых максимальных значений испытательных импульсных разрядных токов I_imp (10/350 мкс), I_max (8/20 мкс), I_n (8/20 мкс), а также данных, определяющих максимальную удельную энергию W/R и максимальный заряд Q для УЗИП I и II классов. Например, некоторые производители для варисторных УЗИП I-го класса указывают ток I_imp (10/350 мкс) величиной более 20 кА. На рисунке 9 показан результат испытания защитного устройства током I_imp (10/350 мкс) = 25 кА, который был указан на лицевой панели УЗИП. Результат, как говорится, налицо.

Вывод. К варисторным УЗИП, для которых определены производителем токи I_imp (10/350 мкс) величиной более 20 кА, следует относиться с некоторой осторожностью, так как производить такие УЗИП технологически довольно сложно. Это требует очень тщательного и трудоемкого процесса подборки отдельных варисторов (для создания сборки) по их квалификационному напряжению и еще целому ряду параметров. В результате такое производство становится экономически невыгодным и появляется основание считать, что приведенный в технической документации параметр может быть несколько завышен!

В тех случаях, когда необходимо обеспечить защиту от импульсных токов величин более 20 кА (10/350 мкс), рекомендуется применять УЗИП на базе разрядников.

2. Второе замечание будет корректировать первое. А именно:

• Не все разрядники рекомендуется использовать. Перед выбором разрядника нужно оценить ожидаемое значение импульсного тока, который может протекать через элементы электроустановки и сравнить его значение с предлагаемыми параметрами УЗИП на базе разрядника. При этом особо следует обратить внимание на значение сопровождающего тока. Это более подробно описывалось в предыдущих номерах журнала. Далее желательно обратить внимание на конструкцию разрядника — это описывалось выше. Разрядники со съемным модулем в некоторых ситуациях могут привести к проблемам. Во время экспериментальных исследований наблюдались случаи, когда при протекании через разрядники тока I_imp (10/350 мкс) = 50 кА, съемный модуль под воздействием динамического удара выпрыгивал из базы. В нескольких случаях наблюдалось даже разрушение базы.
• Разрядники с открытой разрядной камерой при зажигании в них дуги осуществляют выброс раскаленных ионизированных газов через сопло в нижней части корпуса. Это накладывает особые требования к безопасности человека и к условиям монтажа. В зону выброса не должны попадать проводники и другие предметы, не стойкие к высоким температурам. Шкафы для таких разрядников могут быть изготовлены только из металла. Но самое главное, что при срабатывании таких разрядников на пределе своих возможностей (I_imp = 50-60 кА (10/350 мкс)) из них выбрасываются сгустки раскаленного и расплавленного материала их электродов, а сила выброса такова, что на практике известны даже случаи значительной деформации металлических шкафов, сравнимые только с последствиями взрыва ручной гранаты. На объектах связи с высокими антенно-мачтовыми сооружениями не раз наблюдались случаи, когда у металлических шкафов с подобными разрядниками выбивало закрытые дверцы. Пример — на рисунке 12. 

3. Третье замечание касается применения разрядников со специальным, так называемым, поджигающим электродом. Данный тип разрядников позволяет за счет использования электронной схемы и поджигающего электрода существенно уменьшить время реагирования разрядника t_a (см. рисунок 13).

Это позволяет значительно понизить напряжение динамического пробоя и соответственно уровень защиты U_p разрядника, что позволяет легче координировать его выходные параметры с категориями стойкости изоляции защищаемого оборудования (ГОСТ Р 50571.19). Некоторые производители даже указывают в технической документации, что такой разрядник относится к УЗИП класса I-II. Кроме этого, уменьшение времени включения до значения 25 нс (соответствует времени включения варистора) позволяет в некоторых случаях отказаться от использования разделительных дросселей при близкой установке друг к другу такого разрядника и варисторного УЗИП II-го класса. Однако при этих явных достоинствах существует совершенно очевидный недостаток. В случае выхода из строя электронной схемы поджига, характеристики разрядника существенно изменяются в сторону ухудшения. Определяется это в первую очередь тем, что из-за внесения дополнительного поджигающего электрода приходится увеличивать зазор между рабочими электродами, что при отсутствии поджига приводит к значительному возрастанию динамического напряжения пробоя и соответственно уровню остающегося напряжения U_p, т.е. нарушению координации УЗИП со стойкостью изоляции защищаемого оборудования.

Вывод. Задавайте вопросы поставщикам защитных устройств, добивайтесь исчерпывающих ответов, и уже только после этого принимайте решение о приобретении того или иного устройства. Уважающий себя производитель всегда дает достаточный объем технической информации. И в том случае, если Вы не сумели ее получить, попробуйте поискать что-то другое, более Вам понятное. Тем более, что рынок подобных устройств стал значительно шире, есть из чего выбирать!

Диагностика устройств защиты от импульсных перенапряжений

Конструкция и параметры устройств защиты от импульсных перенапряжений постоянно совершенствуются, повышается их надежность, снижаются требования по техническому обслуживанию и контролю. Но, не смотря на это, нельзя оставлять без внимания вероятность повреждения УЗИП, особенно при интенсивных грозах, когда может произойти несколько ударов молнии непосредственно в защищаемый объект или вблизи от него во время одной грозы. Устройства защиты, применяемые в низковольтных электрических сетях и в сетях передачи информации, подвержены так называемому старению (деградации), т.е. постепенной потере своих способностей ограничивать импульсные перенапряжения. Интенсивнее всего процесс старения протекает при повторяющихся грозовых ударах, в течение короткого промежутка времени в несколько секунд или минут, когда амплитуды импульсных токов достигают предельных максимальных параметров I_max (8/20 мкс) или I_imp (10/350 мкс) для конкретных типов защитных устройств.

Повреждение УЗИП происходит следующим образом. Разрядные токи, протекающие при включении защитных устройств, нагревают корпуса их нелинейных элементов до такой температуры, что при повторных ударах с той же интенсивностью (в еще не успевшее остыть устройство) происходит:

• у варисторов — нарушение структуры варистора (тепловой пробой) или его полное разрушение;
• у металлокерамических газонаполненных разрядников (грозозащитных разрядников) - изменение свойств в результате утечки газов и последующее разрушение керамического корпуса;
• у разрядников с открытой разрядной камерой — за счет взрывного выброса ионизированных газов во внутреннее пространство распределительного щита могут возникать повреждения изоляции кабелей, клеммных колодок и других элементов электрического шкафа или его внутренней поверхности. Важной особенностью при эксплуатации разрядников этого типа в распределительных щитах является также необходимость повышения мер противопожарной безопасности.

По указанным выше причинам все серьезные изготовители устройств защиты от импульсных перенапряжений рекомендуют осуществлять регулярный контроль, не менее двух раз в год, — перед началом грозового сезона и после его окончания, а также после каждой сильной грозы. Проверку необходимо осуществлять с помощью специальных тестеров или приборов, которые обычно можно заказать у фирм, занимающихся техникой защиты от перенапряжений. Контроль, осуществляемый другими способами, например, визуально или с помощью универсальных измерительных приборов, в этом случае является неэффективным по следующим причинам:

• Варисторное защитное устройство — может быть повреждено, хотя сигнализация о выходе варистора из строя не сработала. Варистор может обладать искаженной вольтам-перной характеристикой (более высокая утечка) в области токов до 1 мA (область рабочих токов при рабочем напряжении сети; настоящую область невозможно проверить с помощью стандартных приборов). Проверка осуществляется минимально в 2-х точках характеристики (как правило, при 10 и 1000 мкА), при помощи специального источника тока с высокой скоростью нарастания напряжения (от 1 до 1,5 кВ). При этом простое измерение квалификационного напряжения не даст полной картины состояния варистора.
• Металлокерамический газонаполненный разрядник — с помощью визуального контроля можно заметить только поврежденный от взрыва внешний декоративный корпус УЗИП (или его выводы). Чтобы выяснить состояние самого разрядника необходимо разобрать внешний корпус, но даже при таком контроле практически невозможно обнаружить утечку газового заряда. Контроль напряжения зажигания грозового разрядника с помощью обыкновенных измерительных приборов выполнить невозможно, так как динамическое напряжение зажигания разрядника будет зависеть от крутизны фронта импульса, а статическое напряжение зажигания даст информацию лишь о том, что разрядник способен зажигаться вообще. Реальную картину состояния разрядника и значения его уровня защиты можно получить только при помощи специализированных генераторов, формирующих комбинированную волну напряжения и тока [3], и запоминающего осциллографа.
• Разрядник с открытым искровым промежутком — проверку исправной работы можно осуществить только после демонтажа и измерения с помощью генератора грозового тока с характеристикой I_imp (10/350 мкс) по заказу у изготовителя устройств для защиты от импульсных перенапряжений или в специальной лаборатории.

Литература:

1. IEC-62305 «Защита от удара молнии». Части 1-5.
2. ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98) «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах. Часть 1. Требования к работоспособности и методы испытаний».
3. IEC-61643-12 (2002): «Устройства защиты от перенапряжений для низковольтных систем распределения электроэнергии. Часть 12. Выбор и принципы применения».
4. ГОСТ Р 50571.19-2000 «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перенапряжений. Раздел 443. Защита электроустановок от грозовых и коммутационных перенапряжений».
5. ГОСТ Р 50571.26-2002 «Электроустановки зданий. Часть 5. Выбор и монтаж электрооборудования. Раздел 534. Устройства для защиты от импульсных перенапряжений».
6. СО-153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству мол-ниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».
7. ГОСТ Р 50339.0 (МЭК 60269-1-86) «Низковольтные плавкие предохранители. Общие требования».
8. «Electromagnetic compatibility, surge, surge protection». Jaroslav Hudec, Hakel Ltd.
9. «Зоновая концепция. Молниезащита», А. Л. Зоричев. Новости электротехники № 27, 28, 2004 г. 

А. Л. ЗОРИЧЕВ, заместитель директора
ЗАО «Хакель Рос».