Когда существует система громоотвода, импульсы разряда распределяются между громоотводом, электросетью, линиями связи и бытовыми коммуникациями. Степень распределения импульсов во многом определяется конфигурацией здания, а также способом прокладки линий и коммуникационных систем.
Принципы подбора и установки защитных устройств от перенапряжения
В образовательных учреждениях, таких как школы, ученики изучают природу молнии и связанные с ней явления. Прямой удар молнии представляет собой серьезную опасность, но также и накопление электрического заряда в окружающей среде может стать причиной многих неприятностей. Импульсные перенапряжения могут быть особенно опасны тем, что:
- Электроприборы могут выйти из строя, и в худшем случае это может привести к возгоранию;
- Возгорание может произойти в строениях, зданиях и сооружениях, что часто становится следствием пробоя изоляции в проводке, оборудовании или аппаратуре, а также короткого замыкания.
К сожалению, во время грозы случаются травмы и даже гибель людей, и причина зачастую не в непосредственном ударе молнии, а в сопутствующих явлениях, таких как электрошок.
В многоэтажных домах, как правило, молния не попадает непосредственно в питающую сеть. Скорее, она вызывает наведенное напряжение на значительном расстоянии от места удара в землю. Хотя такая ситуация является менее опасной, она все же оказывает отрицательное влияние на изоляцию электрооборудования. Грозовой разряд, ударивший в непосредственной близости от здания, может вызвать резкий скачок напряжения, что чаще всего приводит к повреждению бытовой техники, оборудования и другой электроники.
В таких условиях важным решением является установка защитных устройств. Они могут помочь не только в случае молниевых ударов, но и при техногенных импульсных перенапряжениях, вызванных перегрузками на трансформаторных и распределительных подстанциях. Вопрос о необходимости установки защитных устройств встает так: какой именно УЗИП (устройство защиты от импульсных перенапряжений) требуется для частного дома и как правильно его выбрать по классу или принципу действия?
Классы УЗИП и разница между ними
Устройства данного типа классифицируются по классам УЗИП, и разница между ними достаточно значительна. Эти различия определяют их сферу применения и область защиты от перенапряжений.
УЗИП 1 класса
Защита данного класса активируется в следующих случаях:
- при прямом ударе молнии в объекты, обладающие внешней защитой;
- если молния ударила в линии электропередач, расположенные близи защищаемого объекта.
Устройство предназначено для защиты от импульсов с характеристиками от 10 до 350 микросекунд и силой тока от 25 до 100 кА.
Необходима ли защита УЗИП первого класса для жилых домов? Ответ однозначен: да, но в основном для многоквартирных. Оборудование такого класса в основном монтируется в вводных распределительных устройствах (ВРУ) и главных распределительных щитах (ГРЩ) административных и промышленных зданий.
УЗИП 2 класса
Устройства второго класса позволяют защитить от импульсов с временными показателями 8/20 микросекунд и амплитудами от 15 до 20 кА. Они наиболее эффективно используют как защитное средство перед первой линией защиты в случае скачков напряжения. Также могут служить защитой для линий электропередач от молний, и часто устанавливаются как дополнительная мера молниезащиты.
Монтаж устройств данного класса служит для нейтрализации импульсов, которые прошли первую преграду защиты — устройств 1 класса. Оборудование этого типа устанавливается в распределительных щитах и подключается непосредственно к сети.
УЗИП 3 класса
Приборы третьего класса предназначены для защиты от остаточных импульсов, возникающих в системе после работы первичных и вторичных защитных устройств.
Эти устройства защищают от импульсов по временным характеристикам 1,2/50 мкс и 8/20 мкс. Они имеют смысл использования в качестве дополнения к устройствам первых двух классов и оптимально подходят для защиты высокотехнологичного и электронного оборудования, включая медицинскую технику.
Необходима ли установка УЗИП третьего типа для жилых строений? Безусловно, это актуально как в частном секторе, так и для многоквартирных комплексов.
Какой именно УЗИП выбрать для частного дома? Обычно имеет смысл использовать устройства всех трех классов. Главное — правильная установка каждого устройства, с учетом их назначения и назначения защищаемого оборудования.
Что такое УЗИП
УЗИП — это устройство защиты от импульсных перенапряжений, основная задача которого заключается в защите от молний. Эта защита актуальна не только для прямых ударов молний, но также и для наводок и разрядов, которые происходят во время грозы — такие явления могут проявляться довольно часто. Непосредственно гроза не всегда является причиной появления импульсных перенапряжений: мощные электрические аппараты, например сварочные устройства, также могут создать подобные условия. Эти кратковременные, но сильные импульсы способны повредить электронные компоненты приборов, иногда даже приводя к их возгоранию. Здесь УЗО или реле напряжения могут быть ineffective.
Однако УЗИП способен эффективно справляться с этими угрозами, если его правильно выбрать. Мы подробно обсудим это ниже. Также стоит отметить, что подобные устройства могут называться ОИН или ОПС, но принцип работы у них остается неизменным — ограничение импульсных напряжений.
Вопрос о том, стоит ли приобретать УЗИП, — это другая тема для обсуждения. Хотя эти устройства не относятся к экономичным, их стоимость чаще всего не превышает цены даже качественного телевизора. При этом если учитывать и другие электроприборы в доме, необходимость УЗИП становится очевидной. Не следует забывать, что для частного дома не обязательно устанавливать самые дорогие модели УЗИП, предназначенные для многоквартирных домов. Таким образом, наше мнение однозначно — УЗИП необходим. Возможно, он вам не пригодится, достоверной статистики нет, но как сказал один мудрый человек: «Лучше иметь револьвер на случай, когда он не нужен, чем оказаться без него в нужный момент.»
Некоторые специалисты высказывают мнение, что УЗИП может не защитить от прямого удара молнии, и в этом случае требуется комплексный подход к молниезащите, о чем также упоминается на нашем сайте. Тем не менее, эффективность зависит от класса устройства и других факторов, таких как уровень напряжения импульса. Хотя существуют случаи, когда УЗИП не срабатывал, есть и множество примеров, когда он спасал оборудование от повреждений. Важно помнить, что речь идет не только о непосредственной угрозе со стороны молний.
Принцип работы УЗИП
Принцип работы устройств защиты от импульсных перенапряжений достаточно прост, что обеспечивает их надежность. В качестве чувствительного компонента используется варистор, который в момент, когда через него проходит напряжение выше установленного номинала, существенно уменьшает свое сопротивление. Когда это происходит, ток перенаправляется на контур заземления, фактически создавая короткое замыкание, что приводит к срабатыванию автоматического выключателя и отключению электрической цепи. Такое устройство отличается высокой надежностью, действуя даже при незначительном превышении номинального значения в установленном диапазоне.
Однако у УЗИП присутствует определенное время срабатывания, которое обычно минимально, что позволяет эффективно защищать подключенное оборудование. Также следует учитывать, что у устройства есть максимум напряжения, которое оно может выдержать. Эти параметры и другие характеристики мы обсудим далее. Защитные устройства могут применяться для разных задач, поэтому их характеристики и стоимость могут значительно различаться, но в целом принцип работы остается неизменным, как было описано выше. Простота схемы УЗИП в данном случае способствует созданию надежной защиты.
Принцип работы УЗИП
Как инженер, обладающий большим опытом, я работал с различными типами устройств защиты от импульсных перенапряжений: разрядниками, варисторами, защитными диодами и разделительными трансформаторами. Однако наиболее распространенными являются именно первые два типа и их комбинации.
Разрядник
Ключевым элементом этого типа устройств является две токопроводящие пластины, между которыми имеется заданный зазор. При возникновении импульса с высоким напряжением в этом зазоре возникает разряд, который способствует сбросу перенапряжения.
В зависимости от конструкции камеры, где происходит разряд, разрядники делятся на:
1) Газовые. В таких устройствах для заполнения дуговой камеры используется инертный газ. Это придает им высокую устойчивость к внешним условиям (таким как влажность, температура, запыленность). Из-за высокого уровня сопротивления газовые УЗИП могут применяться для защиты оборудования, работающего на высоких частотах до нескольких гигагерц.
2) Воздушные. Вместо инертного газа используется окружающий воздух. Поэтому при монтажной установке таких УЗИП важно уделять внимание чистоте помещения, чтобы избежать ложных срабатываний. Необходимо помнить, что во время работы таких устройств происходит выброс горячего ионизированного газа.
Примеры разрядников включают модели УЗИП серий PWR (исполнение 2), RS232 (исполнение 2) и MSR (исполнение 2).
Рис. 2- Узип разрядник
Варистор
Здесь используется керамический элемент, который резко изменяет свое сопротивление при возникновении импульса высокого напряжения. Это приводит к созданию контролируемого короткого замыкания, что инициирует срабатывание автоматического выключателя. Скорость реакции варистора составляет 25 наносекунд, что обеспечивает 100% защиту всей подключенной к сети аппаратуры.
Примером варистора служит УЗИП ОПС-10В-1Р, который имеет рабочее напряжение не более 2 кВ. Устройство обладает шириной 18 мм и устанавливается на стандартную DIN-рейку.
Защитный диод
Современные защитные диоды разрабатываются с использованием проводниковых технологий. Эти устройства обладают высокой скоростью срабатывания, достигающей 1 наносекунды. При использовании защитного диода это устройство не отключает подачу электричества сразу же при возникновении импульса, а нормализует повышенное напряжение, перенаправляя его через корпус или отдельный кабель на землю.
Классификация
УЗИП различаются функциональными возможностями, которые зависят от класса модели. Всего выделяются три типа УЗИП:
1) 1 Класс. Эти устройства принимают на себя основную нагрузку в случае прямого попадания молнии в здание, мачту или линию электропередач. Они ставятся в вводные распределительные устройства, особенно на открытых пространствах с установленными молниеотводами. УЗИП 1 класса рассчитаны на токи импульсов до 30-60 кА. Например, УЗИП ОПС-10В-1Р-R 1 Класса.
2) 2 Класс. Эти устройства защищают сети потребителей от остаточных последствий грозового разряда или перенапряжений, вызванных переключениями. Обычно устанавливаются в распределительных щитах на входе в квартиры. Поскольку эти устройства выполняют роль второй линии обороны, номинальное значение разрядного тока для них ниже, чем у 1 Класса, и составляет от 20 до 40 кА. Пример подобных устройств — УЗИП ОПС-10С-1Р 2 Класса.
3) 3 Класс. Используется для защиты электрооборудования от импульсных перенапряжений и может подключаться непосредственно к розеткам или отдельным группам в распределительной сети. Эти устройства рассчитаны на работу с импульсами тока в пределах 5-10 кА. Пример — УЗИП ОПС-10D-2Р 3 Класса.
Важно отметить, что можно устанавливать все представленные типы УЗИП как частично, так и полностью на одном объекте. Однако это зависит от конфигурации системы энергоснабжения.
Рис. 4- Схема выборов классов Узип
Как работает УЗИП?
Принцип функционирования этого защитного оборудования основан на зависимости сопротивления от уровней напряжения, прикладываемого к его контактам. Например, напряжение стандартной бытовой сети составляет 220 вольт, а сопротивление может находиться в диапазоне от 1 до 100 Мом. Когда напряжение в сети резко возрастает, УЗИП уменьшает сопротивление до нескольких ом, эффективно изолируя подключенное оборудование от разрушительного воздействия высоких импульсных токов. Это снижение сопротивления осуществляется благодаря варистору, который входит в конструкцию устройства.
УЗИП могут работать в двух режимах: несимметричном (синфазном) и симметричном (дифференциальном). Им также могут быть присущи различные типы проводников — вентильные и искровые разрядники, сервисные устройства с варисторами и пр.
Первые две разновидности работают следующим образом: когда происходит воздействие грозового разряда, возникает перенапряжение, которое пробивает разъединение между фазой и заземляющим контуром, создавая воздушный зазор. Благодаря этому мощный импульс уходит в землю, предотвращая вредное воздействие на систему. Гашение высоковольтного импульса в вентильных разрядниках происходит на резисторе.
Модификация защитного оборудования определяется типом защищаемого объекта. Например, газонаполненные разрядники обычно используются для защиты объектов, имеющих внешнюю систему молниезащиты или зданий, которые подключены к электроэнергии через линии электропередач. УЗИП на основе варисторов используются в высоковольтных сетях (10 кВ и более), включая промышленные объекты, тогда как низковольтные модели могут применяться в квартирных распределительных щитах.
Существуют также комбинированные УЗИП, которые сочетают в себе преимущества всех описанных моделей. Эти устройства имеют низкое напряжение срабатывания варисторных моделей и высокую рассеиваемую мощность искровых разрядников (некоторые могут пропускать токи в десятки килоампер).
Дополнительно, помимо принципа действия, к различиям также относится класс оборудования:
- 1 класс (B) – защищает от импульсов, вызванных прямыми ударами молнии и короткими замыканиями;
- 2 класс (C) – применяется для защиты линий электропередач и подстанций от перенапряжений, возникающих при переключениях;
- 3 класс (D) – направлен на устранение остаточных сетевых помех и перепадов напряжения.
Защитные устройства всех указанных классов производятся рядом компаний, среди которых особенно выделяются УЗИП ETI за их высокую надежность, длительный срок службы и доступную цену.
Характеристики УЗИП
Чтобы выбрать подходящее оборудование, важно понимать, что означают обозначения на упаковке и корпусе:
- Umax – верхнее значение напряжения;
- In – номинальная величина разрядного тока;
- Up – напряжение срабатывания устройства;
- Imax – максимальная пропускаемая величина разрядного тока.
При выборе стоит также учитывать параметры питающей сети:
- однофазная, TN-C;
- однофазная, TN-S;
- трехфазная, TN-C;
- трехфазная, TN-S.
От типа питающей сети будет зависеть способ подключения. Например, в однофазной системе TN-C отсутствует заземляющий провод, поэтому УЗИП подключается между фазным и нулевым проводом. Чтобы избежать ошибки при подключении, внимательно ознакомьтесь со схемой, размещенной на упаковке и корпусе устройства. Устройства защиты от импульсных перенапряжений бренда ETI имеют все необходимые обозначения для корректного выбора и установки. Чтобы полностью исключить вероятность ошибки, лучше доверить выбор и установку такого оборудования профессионалам.
Существует четыре основных типа УЗИП (устройств защиты от импульсных перенапряжений)
Разрядник
Это устройство состоит из двух проводников, между которыми имеется калиброванный зазор. При значительном повышении напряжения между пластинами возникает дуговой разряд, который обеспечивает сброс высоковольтного импульса на землю.
Разрядники делятся на: воздушные многоэлектродные и газовые. В газовых разрядниках дуговая камера заполнена инертным газом под низким давлением. Благодаря этому их характеристики не зависят от окружающих условий (влажности, температуры и запыленности) и имеют чрезвычайно высокое сопротивление (примерно 10 ГОм), что делает их идеальными для защиты высокочастотных устройств вплоть до нескольких гигагерц.
Важно учитывать, что при установке воздушных разрядников необходимо обратить внимание на выброс горячего ионизированного газа, особенно если они устанавливаются в пластиковые щитовые конструкции. Общие рекомендации по установке изложены на схеме, представленной на рис. 1.
Рис. 1. Схема установки разрядников
Типовое напряжение срабатывания для разрядников составляет от 1,5 до 4 кВ (для сети 220/380 В 50 Гц). Время срабатывания составляет приблизительно 100 нс. Максимальный ток при разряде колеблется от 45 до 60 кА с длительностью импульса 10/350 мкс. Устройства могут быть представлены как отдельные компоненты для установки в щиты, так и в виде модулей для установки на DIN-рейку.
Существует также группа разрядников в виде компонентов для установки на платы, которые могут выдерживать токи разряда от 1 до 20 кА (8/20 мкс).
Варистор
Это керамический элемент, сопротивление которого резко уменьшается при превышении заданного уровня напряжения.
Напряжение срабатывания варистора колеблется в пределах 470-560 В (для сети 220/380 В 50 Гц).
Время срабатывания варисторов составляет менее 25 нс.
Максимальный импульсный ток варисторов варьируется от 2 до 40 кА при длительности импульса 8/20 мкс. Устройства могут быть выполнены как в виде отдельных компонентов для применения в радиоаппаратуре, так и в виде DIN-модуля для установки в силовые щиты.
Разделительный трансформатор
Это силовой трансформатор с частотой 50 Гц с раздельными обмотками и равными входными и выходными напряжениями.
Благодаря своим характеристикам трансформатор не может передать короткие высоковольтные импульсы на вторичную обмотку и служит идеальной защитой от импульсных перенапряжений. Однако в случае прямого удара молнии в электросеть может произойти повреждение изоляции первичной обмотки, что может вывести трансформатор из строя.
Защитный диод
Этот элемент чаще всего применяется для защиты связи. Он характеризуется высокой скоростью срабатывания (менее 1 нс) и разрядным током 1 кА при импульсовом воздействии 8/20 мкс.
Из четырех описанных устройств каждое имеет свои преимущества и недостатки. Если сравнить разрядники и варисторы с одинаковыми максимальными импульсными токами и обратить внимание на длительность тестового импульса, то можно заметить, что разрядник способен поглотить энергии на два порядка больше, чем варистор. В свою очередь, варистор срабатывает быстрее, имеет более низкое напряжение срабатывания и производит гораздо меньше помех в процессе работы.
Разделительный трансформатор при благоприятных условиях может обеспечить долгий срок эксплуатации в качестве защиты от импульсных перенапряжений (в то время как варисторы и разрядники подлежат постепенному разрушению материала при использовании), но для защиты от нагрузки в сети на 100 кВА специалисту необходим трансформатор соответствующей мощности (что дорого, громоздко и тяжелое).
Классы УЗИП
Современная классификация защитных устройств основывается на зональной концепции молниезащиты (IEC-1024-1, IEC-1312-1). Основные классы УЗИП определяются в документе IEC 1643-1 (37A/44/CDV: 1996-03), который описывает «Устройства защиты от волн перенапряжения для низковольтных систем распределения электроэнергии. Эксплуатационные требования и методы испытания».
В зависимости от места установки и способности пропускать различные импульсные токи, УЗИП делятся на следующие классы: A, B(I), C(II) и D(III).
Например, для частного дома рекомендуется установка как первичного, так и вторичного и третьего класса защиты.
| Класс | Назначение защитного устройства | Место установки | Основные требования, предъявляемые к устройству | Импульсный ток, пропускаемый устройством при срабатывании |
| B(I) | Для защиты от прямых ударов молний в строения, мачты, ЛЭП (категория перенапряжения IV). | На вводе в здание (во вводном щите) или в главном распределительном щите. | – Обеспечение защиты от импульсных перенапряжений с высокой энергией (прямых ударов молний и мощных перенапряжений в режимах замыкания). – Необходима защита от прямого прикосновения. – Освобождение от риска возгорания устройства или короткого замыкания в случае выхода из строя. |
В соответствии с требованиями: — 1 класс защиты УЗИП — E DIN VDE 0675-6/А1/ 03-96 (таблица 4) (при импульсе 10/350 мкС Iimp = 0,5 — 50 кА) — IEC 1643 — 1 (37A/44/CDV: 1996-03) |
| C(II) | Для защиты электросетей от коммутационных помех и в качестве второй линии защиты во время ударов молнии (категория перенапряжения III). | Распределительные щиты. | – Обеспечение защиты от синфазных перенапряжений (между фазой и землей, нейтралью и землей). – Необходима защита от прямого прикосновения. – Освобождение от коротких замыканий и возгораний в случае выхода устройства из строя. |
В соответствии с требованиями: — УЗИП 2 класса защиты — E DIN VDE 0675-6/11-89 (таблица 6) (при импульсе 8/20 мкС Isn = 5 кА) — IEC 1643-1 (37A/44/CDV: 1996-03) |
| D(III) | Для защиты потребителей от остаточных перенапряжений, осуществлении фильтрации помех (категория перенапряжения II). | Розетки, оконечные защитные устройства (фильтры и т.д.). | – Обеспечение защиты от дифференциальных перенапряжений (между фазой и нейтралью). – Необходима защита от прямого прикосновения. – Освобождение от коротких замыканий и возгораний в случае выхода устройства из строя. |
В соответствии с требованиями: — УЗИП 3 класса защиты — E DIN VDE 0675-6/11-89 (таблица 6) (при импульсе 8/20 мкС Isn = 1,5 кА) — IEC 1643-1 (37A/44/CDV: 1996-03) |
