Выбор УЗИП

Определение и классы УЗИП, основные испытательные параметры по ГОСТ Р 51992-2002, элементная база 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.

Нижеприведенная информация поможет сделать правильный выбор УЗИП.

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 (грозозащитными) системами, а также при воздушном вводе питания. Характерной особенностью данного класса является испытание импульсным током Iimp c формой волны 10/350 мкс (Рис.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.

Испытания УЗИП

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 и максимальный токи In и Imax . 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 ставить 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 выбора 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.

Элементная база УЗИП в основном включает в себя газовые разрядники различной конструкции и оксидно-цинковые варисторы. Внешний вид газовых разрядников, производимых фирмой CITEL, показан на рис. 2.

УЗИПВольт-амперная характеристика газонаполенного разрядника приведена на рис. 3. При напряжении, не превышающем Uc , разрядник является хорошим изолятором, ток утечки IPEизмеряется наноамперами, и им пренебрегают. При превышении напряжения ионизации (Up)начинается тлеющий разряд, ток через разрядник возрастает, а напряжение на нем снижается. При дальнейшем росте тока происходит зажигание дуги. После того, как дуга зажглась, напряжение на разряднике практически перестаёт зависеть от тока и составляет от 15 до 30В в зависимости от типа разрядника. Для того, чтобы этот ток прекратился, необходимо либо снизить напряжение ниже напряжения на разряднике, либо уменьшить ток до уровня ниже тока гашения дуги. При этом выделяемая на разряднике мощность будет равна произведению тока на остаточное напряжение на разряднике. Из этого следуют два важных вывода:УЗИП график тока

  1. При срабатывании разрядника возникшая в нём электрическая дуга практически закорачивает не только импульс перенапряжения, но и цепь электропитания, т.е. после прохождения импульса перенапряжения возникает сопровождающий ток If, поддерживаемый самой системой электропитания (фактически ток КЗ для системы электропитания). Обычно этот ток прекращается при прохождении волны напряжения через ноль.
  2. Разрядник может пропускать через себя очень большие токи при сравнительно небольшой выделяемой на нём энергии.

 

Внешний вид варисторов показан на рис. 4.

 

УЗИП внешний видВольт-амперная характеристика оксидно-цинкового варистора приведена на рис. 5. При напряжении Uc варистор имеет небольшой ток утечки около 1мА. При подъёме напряжения выше этого значения варистор переходит на другую ветвь характеристики, где его ток значительно увеличивается при незначительном увеличении напряжения на его зажимах. Т.е. всю лишнюю энергию, которая попала в сеть и может поднять напряжение до опасного уровня, варистор пропускает через себя. В отличие от разрядника, напряжение на варисторе не падает, а поднимается, причём тем выше, чем больше через него ток.

варистор график

 

Из этой характеристики видно, что:

Во-первых, варистор не имеет сопровождающего тока, т.к. при прохождении импульса и возврате напряжения к уровню Uc он автоматически переходит на другую ветвь характеристики.

Во-вторых, энергия, выделяемая на варисторе при прохождении импульса тока, значительно больше, чем при прохождении того же импульса через разрядник.

Чтобы исключить сопровождающий ток и, в то же время, уменьшить остаточное напряжение и выделяемую на устройстве энергию, фирмой CITEL была разработана технология VG, при которой варистор и разрядник соединены последовательно. Варистор исключает сопровождающий ток, разрядник исключает ток утечки, а их совместная работа уменьшает энергию, выделяющуюся на УЗИП и остаточное напряжение. Примерами таких устройств могут служить DS250VG и DUT250VG-300/G (Рис. 6) производства CITEL.

citel

В настоящее время термин УЗИП распространяется на все устройства защиты от импульсных перенапряжений ниже 1000В переменного тока и 1500В постоянного, в том числе и слаботочные. Пока в России нет ГОСТа на УЗИП для слаботочных и информационных цепей, хотя в документах МЭК (международной электротехнической комиссии) такие стандарты имеются.

Чтобы облегчить задачу проектировщикам по применению устройств защиты, некоторые производственные структуры, такие как Газпром, Транснефть, ФСК ЕЭС выпустили собственные руководящие документы (РД). Остальным проектировщикам приходится руководствоваться либо документами МЭК, либо рекомендациями фирм - производителей УЗИП.

Несмотря на отсутствие государственных стандартов, жизнь заставляет всё шире применять УЗИП для слаботочных цепей. Для этой цели CITEL выпускает широкую номенклатуру устройств, защищающих различные цепи с рабочим напряжением от 5 до 170 Вольт и токи до 10А. Монтаж может осуществляться как на DIN-рейку, так и на шасси, стену или прямо на входные разъемы аппаратуры. Примеры подобных устройств приведены на рис. 7.

citel

В отличие от устройств защиты по сети питания, эти устройства чаще всего включаются в защищаемую линию последовательно. В связи с особенностями защищаемых линий (малые токи, высокая частота, чувствительность к вносимым в линию сопротивлению, индуктивности, ёмкости), они имеют и несколько иную элементную базу. Чаще всего в них используются газовые разрядники, супрессорные диоды и иные полупроводниковые устройства, а также резисторы и высокочастотные индуктивности в различных комбинациях. Варисторы в схемотехнике УЗИП для защиты слаботочных и коаксиальных линий применяются редко в связи с их относительно большой ёмкостью и влиянием на полезный сигнал.

Настоящая статья является дает краткий обзор по типам, конструкциям и особенностям применения УЗИП (устройств защиты от импульсных перенапряжений). УЗИП являются неотъемлемой частью комплекса молниезащиты современного объекта.

Подбор УЗИП

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 (Транснефть, Газпром, ФСК ЕЭС). Если ваш объект попадает под действие этих документов, то ставить надо однозначно, если нет, то можно перейти ко второму, неформальному, подходу и продолжить анализ ситуации.

Так как УЗИП защищает в основном электронное оборудование, 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 датчика 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 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 (Рис.1). А если вы ещё и питаетесь от воздушной линии, то вероятность такого исхода значительно увеличивается.узип

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.

Итак, в результате длительных размышлений вы пришли к выводу, что выгоднее поставить внутреннюю молниезащиту, чем потом разгребать последствия экономии. Теперь предстоит выбор конкретных УЗИП и размещение их на объекте.

Если решено защищать целиком всё здание и оборудование в нём, то необходимо 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 рис. 2.УЗИП

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 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 по силовому кабелю питания.

Учитывая, что 99% ударов молний в России имеют амплитуду менее 100кА, в расчетах можно исходить из этой цифры. И тогда при наличии УЗИП по каждому проводу питания пойдёт около 50% 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 приблизительности всех этих расчетов, лучше брать УЗИП с током не менее 20кА (10/350) на фазу. Примером такого устройства может служить DS253E-300 производства CITEL c Iimp =25кА на фазу (рис. 3).УЗИП

Если же вероятность попадания части прямого тока молнии исключена, то можно 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). Наиболее типичным представителем таких устройств является DS43S-230 производства CITEL (рис. 4).УЗИП

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 15 м.

Если вас не интересует весь объект целиком, а 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 (рис. 5).УЗИП

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

  • 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 (рис.6). При таком подключении сечение ваших рабочих проводников не должно превышать максимально допустимого для УЗИП сечения.УЗИП

Типовая схема параллельного подключения УЗИП 1+2 класса в сеть TNC-S приведена на рис. 7.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.

С другой стороны, номинал входного защитного устройства ВА должен быть больше, чем номинал плавких предохранителей FU 1-3, чтобы в случае к.з. в цепи УЗИП сгорели плавкие вставки, а питание основного потребителя не прерывалось. Если это условие соблюсти нельзя, то лучше вообще обойтись без этих предохранителей, т.к. в случае к.з. входное защитное устройство всё равно отработает. При V-образном и последовательном соединении эти дополнительные предохранители отсутствуют в принципе.

Ещё одна особенность параллельного монтажа УЗИП заключается в том, что соединительные провода 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 (Рис.8). При этом амплитуда импульса может значительно превысить допустимые для данного оборудования значения.УЗИП

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 его использования при приходе импульса всё напряжение упадёт на автоматическом выключателе, а УЗИП при этом почти не будет работать.

Ещё один вопрос, который обычно встает перед инженером - нужно ли ставить 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 ставить очень желательно, а иногда и просто необходимо, т.к. ситуация может развиваться, как на рис.9. 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.узип

Стоит отметить, что для эффективной защиты от перенапряжений расстояние от места подключения УЗИП 2 или 3 класса до защищаемого оборудования не должно превышать 5 м.