Защита от высокочастотных и импульсных перенапряжений

ООО "АртТерм-М" предлагает Вам помощь в реализации системы комплексной защиты Вашей жизни и собственности от высокочастотных и импульсных перенапряжений.

Импульсное перенапряжение - это феномен постиндустриального общества, который среди специалистов уже давно известен, а сейчас дошедший до всего общества.

Много, казалось бы, необъяснимых повреждений электронных систем, телекоммуникационных устройств, оборудования, компьютеров, ошибок или сбоев программ, потерь важных данных обусловлено высокочастотным и импульсным перенапряжением чувствительных электронных схем.

Современные электронные системы с интегральными схемами, являются чрезвычайно чувствительными к влиянию высокочастотного и импульсного перенапряжения.

Импульсное перенапряжение возникает естественным и техногенным путем. Так непосредственно при прямом ударе молнии, и при прохождении импульса перенапряжения по линии электропередачи. Опасное перенапряжение может распространяться на расстояния до 2 км от места удара молнии или места обрыва линии электропередачи. Техногенные импульсные и высокочастотные перенапряжения могут вызываться при встраивании нового оборудования в старые несовершенные сети.

Случайный удар молнии на расстоянии 1,5 км от Одного Коммерческого Предприятия в 1996 г. вызвал повреждение 50 новых персональных компьютеров и полное разрушении ещё 10. Так как все компьютеры были подключены к сети, индуцированное высокое напряжение на кабелях передачи данных разрушило сетевые карты. Предприятие простояло два дня. Подсчитайте ущерб.

В настоящее время существует много скачков напряжений, вызванных промышленной деятельностью. Мы имеем в виду переходные процессы включения или выключения больших нагрузок, особенно индуктивных: трансформаторов или электромоторов, или же короткие замыкания в трансформаторной сети. Вред может нанести даже кофемолка, как это подтверждают измерения некоторых институтов, занимающихся проблематикой электромагнитной совместимости.

Обрыв линии электропередач в 2,5 км от коттеджного посёлка в области привёл к скачку импульса перенапряжения, в результате чего во многих домах посёлка пришлось ремонтировать видео и аудио дорогостоящую аппаратуру.

Высокочастотные помехи и импульсное перенапряжение могут вызвать сбой информационных и управляющих систем. Ущербы и потери, возникающие в связи с воздействием перенапряжения, постоянно растут. Потери от временного срыва производства, потери данных и информации, могут значительно превысить размер повреждений, нанесенных напрямую устройству. Это дань за высокую степень развития современной передовой техники, неустанно растущее количество компьютеров и компьютерных сетей и массовое применение микропроцессоров в технических устройствах и потребительских приборах. Сбой информационной сети любого банка, обусловленный импульсным перенапряжением, может привести даже к его банкротству.

Опасно также скрытое влияние импульсного перенапряжения. Электронные схемы постоянно подвергаются влиянию относительно малых импульсов перенапряжения. Эти импульсы не могут непосредственно разрушить оборудование, но под их влиянием электронные схемы постоянно перегружены, в результате чего возникают, казалось бы, необъяснимые помехи. Под влиянием импульсного перенапряжения электронные составные части «перегружаются». Срок службы, таким образом, резко сокращается.

Уровень современной техники позволяет качественно защищать электронные и электрические устройства от влияния опасного импульсного перенапряжения. Причем можно защищать устройство, не только в области защиты от деструктивного воздействия импульса с энергетическим потенциалом, но и от высокочастотных помех.

Незащищаемые электрические схемы, компьютерные сети и сети данных являются весьма уязвимыми и грозят потерей данных для своих пользователей. Установка защит является, прежде всего, профилактической мерой защиты от возможных потерь. Затраты на защиту составляют лишь долю стоимости самой защищаемой техники и небольшую сумму по отношению к возможным убыткам, нанесенным сбоями и разрушением технологического оборудования.

Комплексная защита от импульсного перенапряжения является достаточно сложной. Выбор средств защиты зависит от целого ряда факторов и необходимо охранять все возможные места вхождения перенапряжения. Разработка технического решения, обслуживание и поставка защитных устройств от перенапряжения - это дело технических специалистов.

Например: сетевая авария вследствие сбоев приводов центрифуг на сахарном заводе N. Сахарный завод установил в рамках модернизации центрифуги, с тиристорными преобразователями и мощностью около 200 кВ вместо классических ротационных приводов. После присоединения приводов через трансформаторы 22/0,4 КВ к сети питания 22 кВ начались колебания и деформации тока питания в таком объеме, что это привело к групповому сбою в сети.

У компании, на заводе производящем электродвигатели при установке нового оборудования стали постоянные проблемы в цехе намотки статоров и роторов. Постоянные многочисленны браки, срывы сроков поставки, возврат продукции клиентами приводили к существенным убыткам. Это было связано с переходом на новую французскую технологию с электронными управляющими узлами и электронными счетчиками. Причиной являлись приводы постоянного тока намоточных станков и двигатели, которые при разбеге, торможении, смене направления высылают в питающую сеть большое количество маленьких пиков, которые, в свою очередь, портят снимаемые параметры. После установки системы защиты от перенапряжения по шинам питания и непосредственно перед электронным оборудованием проблемы исчезли.

На башне управления полетами международного аэропорта Франкфурт на Майне при установке новой системы пожаротушения, не была установлена система защиты от перенапряжения центра пожарной охраны. Небольшой скачок напряжения был воспринят как сигнал о наличии пожара, и автоматически началось его «тушение». В результате вся башня управления наполнилась пеной. Выход из строя башни управления подвергнул опасности более 200 самолетов, идущих на посадку и круживших в это время над аэропортом. Пришлось самолеты в аварийном порядке отправить на посадку в другие аэропорты, произвести очистку башни. Нанесенный ущерб исчислялся десятками миллионов. В то же время затраты на систему защиты пожарной охраны составили всего полторы тысячи.

На одном из химических комбинатов области решили не ремонтировать вышедшую из строя систему защиты от перенапряжений подземного резервуара летучего химического вещества. Удаленный удар молнии индуцировал импульс на металлической проводке к датчику измерения уровня поверхности жидкости, тот в свою очередь вызвал пробой искры и, как следствие, взрыв. Разрушенный резервуар, воронка диаметром 40 м, повреждение технологий переработки. Анализ показал, что заземление резервуара было недостаточным, и не была использована система защиты от перенапряжений для взрывоопасных сред. В итоге вместо 2,5 тысяч на систему защиты было потрачено на восстановление всех технологий 4 миллиона.

Импульсное перенапряжение 

Импульсное перенапряжение возникаетот природных и техногенных причин – при ударе молнии, прямо или через емкостную, индуктивную, гальваническую связь и от перенапряжения, возникающего из-за электромагнитной индукции в металлических линиях длиной несколько километров, при электростатическом разряде и коммутационных событиях в сетях сверхвысокого напряжения, высокого напряжения и низкого напряжения.

I. Прямой удар молнии

Разряд молнии характеризуется высокими амплитудами тока, достигающими величин свыше 400 кА. Средние величины в условиях Восточной Европы достигают 30-50 kA.

При ударе молнии непосредственно в объект в доли секунды повышается потенциал корпуса и защитных проводников всей электроустановки, соединенной с заземлением. Так начинает проходить деструктивный высокий выравнивающий ток из заземленных частей приборов в сеть питания систем данных и силовых систем. Одновременно на длинных участках линии, которые не соединены с системой компенсации потенциалов, могут индуцироваться высокие напряжения.

II. Удар молнии в линию низкого напряжения или телекоммуникационную сеть

При отдаленном ударе молнии по сети низкого напряжения со скоростью света распространяется импульс напряжения с очень большой амплитудой, угрожающей любой электронике.

Поэтому еще перед тем, как раздаются первые удары молнии, могут быть уже повреждены или уничтожены компьютеры, факсы, телефонные станции, измерительные, управляющие приборы, регуляционное оборудование и другие аппараты.

III. Удар молнии в линии высокого напряжения и сверхвысокого напряжения

При ударе молнии в сети высокого напряжения и сверхвысокого напряжения трансформаторы частично уменьшают энергию импульса в сети низкого напряжения, но перенапряжение в эти линии попадает другими путями: через емкостную связь между первичной и вторичной обмоткой, индуктивную связь между подводящими линиями высокого напряжения и отводящими линиями низкого напряжения, при прямой трансформации между первичной и вторичной обмоткой, и через гальваническую связь через совместное заземление линий высокого напряжения и низкого напряжения .

IV. Непрямой удар молнии

Хотя молния не ударит прямо в объект, линию или оборудование, в сети может образоваться импульсное перенапряжение по гальванической связи через заземление, или через емкостную и индуктивную связь гальванически разделенных линий. При этом импульсное перенапряжение возникает при ударе молнии на расстоянии до 2 км.

IV.Разряды типа „облако – облако“

Если произойдет разряд молнии между облаками, то возникнет зеркальный разряд на поверхности земли, который индуцирует напряжение в силовых проводах и линиях данных.

Последствия проходящих волн с очень высокой амплитудой напряжения совпадают с пунктом II.

V.Коммутация в линиях низкого напряжения

Переходные перенапряжения возникают при включении, выключении, присоединении и отключении индуктивных и емкостных нагрузок, при коротких замыканиях в сети питания.

VI. Коммутация и переключение в линиях высокого напряжения и сверхвысокого напряжения

Коммутационное перенапряжение из сети высокого напряжения и сверхвысокого напряжения с паразитными емкостными и индукционными связями переносится в линии низкого напряжения с последствиями, аналогичными отдаленным ударам молнии.

VII. Электростатический разряд

Этот тип разряда возникает при механическом трении двух изоляционных веществ и действует в данном месте. Его можно избежать применением подходящих материалов, проводящим покрытием, ионизацией и т.п.

Нужно учесть, что внутри здания влияние индукции и связей ослаблено стенами.

Иногда, за счет плохо соединенной арматуры железобетонных зданий, это влияние увеличивается

Везде, где на радио и телевизионных приемниках принимается сигнал на внутреннюю комнатную антенну, может индуцироваться перенапряжение от отдаленного удара молнии.

Часто перенапряжения возникают от промышленной деятельности. Это касается переходных процессов, связанных с включением и отключением больших, особенно индуктивных нагрузок: трансформаторы, большие двигатели, индукционные нагреватели. Как подтверждают исследования, ущерб может нанести даже кофемолка.

Источником перенапряжения, особенно в линиях данных, может быть также индукция (переходное затухание), которая возникает при совмещении линии с силовыми кабелями. Особенно если в сетях происходят частые коммутации энергетических потребительских приборов.

Амплитуды перенапряжения в случае прямого удара молнии могут достигать МВ, при косвенных воздействиях молнии - сотни кВ. Во время коммутации в линиях сетей высокого напряжения и сверхвысокого напряжения измерения низкого напряжения на выходе трансформатора показали амплитуду перенапряжения почти 15 кВ.

При коммутациях, в линиях низкого напряжения обычно возникают перенапряжения с амплитудой от десятков до несколько тысяч вольт. Это происходит не только от мощных потребителей, но и от небольших потребительских приборов: светильников, копировальных аппаратов, морозильников, пылесосов и т.п.

При электростатическом разряде перенапряжение достигает несколько десятков тысяч вольт, но этот разряд несет, к счастью, относительно малый энергетический потенциал.

Важным показателем, характеризующим перенапряжение, является его временная характеристика.

Последствия импульсного перенапряжения зависят от его амплитуды и энергии:

* Разрушение

- При превышении определенной амплитуды возникают пробои или искровые разряды, что вызывает заметное изменение на макроуровне всего оборудования или его частей.

- Подобные последствия могут произойти при гораздо меньших перенапряжениях – в единицы и сотни вольт – на микроуровне, когда происходят пробои P-N переходов, испарения металлизированных поверхностей интегральных схем.

Эти повреждения на микроуровне не заметны, они проявляются только в виде помех на соответствующей плате.

- При быстрых изменениях напряжения (резкое нарастание импульса) происходят пробои в подключенных транзисторах, тиристорах и тп., или они внезапно включаются. Это может иметь катастрофические последствия.

* Неисправное функционирование

- Внезапный срыв деятельности тиристоров

- Частичное уничтожение файлов банка данных

- Ошибка в программе обработки данных

- Ошибка в данных или их переносе

* Быстрый износ

- Перенапряжение, влияющее на составные части, снижает их срок службы

Принципы защиты от импульсных перенапряжений

Многие недооценивают важность защиты от импульсных перенапряжений. Защита от импульсных перенапряжений защищает здание от последствий ударов молнии и техногенных ававрий, которые могут проявлять себя косвенно на расстоянии до 2 км. Такие "дистанционные" опасные воздействия молний и аварий вызваны свойствами электромагнитного поля. Грамотно выполненная система заземления и уравнивания потенциалов позволит избежать поражения током людей внутри или вблизи дома, в том числе и во время грозы. Устройства защиты от импульсных перенапряжений (разрядники, варисторы, комбинированные устройства) обеспечивают кратковременное присоединение к системе уравнивания потенциалов тех проводов (электрических, телефонных, телевизионных и других кабелей), которые в нормальном своем состоянии никогда не связаны с заземлением. Все токи, которые должны были течь через вашу бытовую технику, будут протекать через предназначенные для этого устройства, что позволит защитить ее от электрических пробоев.

Защита электросетей

Устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) - это устройство, которое предназначено для ограничения переходных перенапряжений и для отвода импульсов тока. Это устройство содержит, по крайней мере, один нелинейный элемент.

Устройства защиты от перенапряжений в нашей стране, совершенно новое направление в проектировании различных систем. Как показывает мировая практика и наш собственный опыт, материальные средства вложенные в системы защиты от перенапряжений в процессе эксплуатации систем окупаются с лихвой. Ни для кого не секрет, что атмосферные явления в виде грозовых разрядов и ударов молний создают в атмосфере мощные электромагнитные поля. Эти поля, пересекая кабельные коммуникации наводят в них высокие значения ЭДС, которые в виде потенциалов прикладываются к конечному оборудованию, выводя его из строя. Для снижения наведенных ЭДС в кабельных коммуникациях до допустимых значений и используются системы защиты от перенапряжений.

Для обеспечения максимальной степени защиты от перенапряжений применяют комбинированные системы с несколькими ступенями защиты условно обозначаемые А, В, С, и D.

Первая ступень защиты - А.

Первая ступень защиты предназначена для ограничения уровня пульсаций напряжения в электропитающей сети в момент разряда до максимально допустимого последующими ступенями защиты В, С, D.

Ограничитель напряжения категории А устанавливается непосредственно на опоре воздушной линии электропередачи. Отличительные характеристики ограничителей категории А - это возможность выдержать максимальный ток разряда до 70 кА, ограничивая при этом максимальный уровень напряжения в питающей сети до 1,5 кВ.

Вторая ступень защиты - В.

Вторая ступень защиты предназначена для сглаживания пульсаций в линии электропередачи до уровня, приемлемого большинству оборудования, не критичного к пульсациям в питающей сети (светотехническое оборудование, бытовые приборы).

Ограничитель напряжения категории В устанавливается в главный распределительный щит после ограничителя напряжения категории А и может являться первой ступенью защиты в случае запитывания объекта от подземных линий электропередачи. Данная категория ограничителей напряжения обеспечивает защиту от перенапряжения с токами разряда от 35 кА до 70 кА.

Третья ступень защиты - С.

Третья ступень защиты предназначена для полного сглаживания пульсаций в электропитающей сети до уровня, приемлемого для запитывания оборудования, критичного к питающему напряжению.

Ограничитель напряжения категории С устанавливается во вторичные распределительные щиты после ограничителя напряжения категории В и зачастую является последней ступенью в комплексе защиты от перенапряжения. Данная категория обеспечивает защиту оборудования от остаточных явлений перенапряжения вследствие грозовых разрядов или коммутационных переходных процессов.

Четвертая ступень защиты - D.

Четвертая ступень защиты формируется с применением ограничителя напряжения категории D и используется только в случае (несмотря на применение в системе ограничителей напряжения категории А, В и С), если запитывающая линия имеет значительную длину (десятки метров) и защищаемое оборудование нуждается в стабилизированном питании. Данная категория ограничителей обеспечивает защиту от токов разряда до 3 кА и гарантирует поддержание напряжения в сети не более 275 В.

Защита информационных сетей

Большую опасность для аппаратуры представляют импульсные помехи при разрядах молний и коммутациях в питающей сети и интерфейсных цепях. Высокая чувствительность к импульсным помехам является особенностью современной цифровой аппаратуры - воздействие электростатических потенциалов на аппаратуру часто приводит к сбоям в ее работе и даже выходу из строя.

Поэтому при монтаже новых телекоммуникационных узлов или модернизации существующих необходимо обязательно решить вопросы, связанные с устройством защиты от импульсных перенапряжений, отвечающей современным требованиям.

Существуют УЗИП, предназначенные для защиты от импульсных перенапряжений (грозовых, электростатических разрядов и др.) оборудования локальных вычислительных сетей. Они устанавливаются либо непосредственно на линии передачи данных и имеют RJ 45 разъемы на входе и выходе, либо в специальную панель, устанавливаемую в 19-ти дюймовую стойку. С помощью таких УЗИП вы можете дополнительно защитить свое оборудование от импульсных перенапряжений и помех.

Уравнивание потенциалов

Уравнивание потенциалов как составляющая часть внутренней молниезащиты здания предназначена для получения одинакового потенциала во всех взаимосвязанных металлических конструкциях. Понятие уравнивания потенциалов весьма обширное, и хотелось бы выделить три основных момента:

уравнивание главного потенциала

дополнительное (местное) уравнивание потенциалов

уравнивание потенциалов системы молниезащиты

Основная система уравнивания потенциалов в электроустановках до 1 кВ должна соединять между собой следующие проводящие части:

1) нулевой защитный PE- или PEN-проводник питающей линии в системе TN;

2) заземляющий проводник, присоединенный к заземляющему устройству электроустановки, в системах IT и ТТ;

3) заземляющий проводник, присоединенный к заземлителю повторного заземления на вводе в здание (если есть заземлитель);

4) металлические трубы коммуникаций, входящих в здание: горячего и холодного водоснабжения, канализации, отопления, газоснабжения и т.п.

Если трубопровод газоснабжения имеет изолирующую вставку на вводе в здание, к основной системе уравнивания потенциалов присоединяется только та часть трубопровода, которая находится относительно изолирующей вставки со стороны здания;

5) металлические части каркаса здания;

6) металлические части централизованных систем вентиляции и кондиционирования. При наличии децентрализованных систем вентиляции и кондиционирования металлические воздуховоды следует присоединять к шине РЕ щитов питания вентиляторов и кондиционеров;

7) заземляющее устройство системы молниезащиты 2-й и 3-й категорий;

8) заземляющий проводник функционального (рабочего) заземления, если такое имеется, и отсутствуют ограничения на присоединение сети рабочего заземления к заземляющему устройству защитного заземления;

9) металлические оболочки телекоммуникационных кабелей.

Проводящие части, входящие в здание извне, должны быть соединены как можно ближе к точке их ввода в здание.

Для соединения с основной системой уравнивания потенциалов все указанные части должны быть присоединены к главной заземляющей шине при помощи проводников системы уравнивания потенциалов.

Система дополнительного уравнивания потенциалов должна соединять между собой все одновременно доступные прикосновению открытые проводящие части стационарного электрооборудования и сторонние проводящие части, включая доступные прикосновению металлические части строительных конструкций здания, а также нулевые защитные проводники в системе TN и защитные заземляющие проводники в системах IT и ТТ, включая защитные проводники штепсельных розеток.

Для уравнивания потенциалов могут быть использованы специально предусмотренные проводники либо открытые и сторонние проводящие части, если они удовлетворяют требованиям п. 1.7.122 ПУЭ к защитным проводникам в отношении проводимости и непрерывности электрической цепи.

В последнее время, с повышением оснащенности современных жилых домов и производственных зданий различными электроприборами и постоянным развитием их электроустановок все чаще стали наблюдаться явления ускоренной коррозии трубопроводов систем водоснабжения и отопления. За короткое время — от полугода до двух лет на трубах как подземной, так и воздушной прокладки образуются точечные свищи, быстро увеличивающиеся в размерах.

Причиной ускоренной точечной (питтинговой) коррозии труб в 98 % случаев является протекание по ним блуждающих токов.

Применение УЗО в комплексе с правильно выполненной системой уравнивания потенциалов позволяет ограничить и даже исключить протекание токов утечки, блуждающих токов по проводящим элементам конструкции здания, в том числе и по трубопроводам.