Устройство защиты от импульсных грозовых перенапряжений, схема подключения. Устройство защиты от импульсных перенапряжений (узип)

Если в вашем доме установлено множество дорогой бытовой техники, лучше позаботиться об организации комплексной защиты электросети. В этой статье мы расскажем об устройствах защиты от импульсных перенапряжений, зачем они нужны, какие бывают и как устанавливаются.

Природа импульсных перенапряжений и их влияние на технику

Многим с детства знакома суета с отключением от сети бытовых электроприборов при первых признаках надвигающейся грозы. Сегодня электрооборудование городских сетей стало более совершенным, из-за чего многие пренебрегают элементарными устройствами защиты. В то же время проблема не исчезла совсем, бытовая техника, особенно в частных домах, все еще находится в зоне риска.

Характер возникновения импульсных перенапряжений (ИП) может быть природным и техногенным. В первом случае ИП возникают из-за попадания молнии в воздушные ЛЭП, причем расстояние между точкой попадания и подверженными риску потребителями может составлять до нескольких километров. Возможен также удар в радиомачты и молниеотводы , подключенные к основному заземляющему контуру, в этом случае в бытовой сети появляется наведенное перенапряжение.

1 — удаленный удар молнии в ЛЭП; 2 — потребители; 3 — контур заземления; 4 — близкий удар молнии в ЛЭП; 5 — прямой удар молнии в громоотвод

Техногенные ИП непредсказуемы, они возникают в результате коммутационных перегрузок на трансформаторных и распределительных подстанциях. При несимметричном повышении мощности (только на одной фазе) возможен резкий скачок напряжения, предусмотреть такое почти невозможно.

Импульсные напряжения очень коротки по времени (менее 0,006 с), они появляются в сети систематически и чаще всего проходят незаметно для наблюдателя. Бытовая техника рассчитана выдерживать перенапряжения до 1000 В, такие появляются наиболее часто. При более высоком напряжении гарантирован выход из строя блоков питания, возможен также пробой изоляции в проводке дома, что приводит к множественным коротким замыканиям и пожару.

Как устроен и как работает УЗИП

УЗИП, в зависимости от класса защиты, может иметь полупроводниковое устройство на варисторах, либо иметь контактный разрядник. В нормальном режиме УЗИП работает в режиме байпаса, ток внутри него протекает через проводящий шунт. Шунт соединен с защитным заземлением через варистор или двумя электродами со строго нормируемым зазором.

При скачке напряжения, даже очень непродолжительном, ток проходит через эти элементы и растекается по заземлению или компенсируется резким падением сопротивления в петле фаза-ноль (короткое замыкание). После стабилизации напряжения разрядник теряет пропускную способность, и устройство снова работает в нормальном режиме.

Таким образом, УЗИП на некоторое время замыкает цепь, чтобы переизбыток напряжения мог преобразоваться в тепловую энергию. Через устройство при этом проходят значительные токи — от десятков до сотни килоампер.

В чем различие между классами защиты

В зависимости от причин возникновения ИП, различают две характеристики волны повышенного напряжения: 8/20 и 10/350 микросекунд. Первая цифра — это время, за которое ИП набирает максимальное значение, вторая — время спада до номинальных значений. Как видно, второй тип перенапряжений более опасный.

Устройства I класса предназначены для защиты от ИП с характеристикой 10/350 мкс, наиболее часто возникающих при разряде молнии в ЛЭП ближе 1500 м к потребителю. Устройства способны кратковременно пропустить через себя ток от 25 до 100 кА, практически все приборы I класса основаны на разрядниках.

УЗИП II класса ориентированы на компенсацию ИП с характеристикой 8/20 мкс, пиковые значения тока в них колеблются от 10 до 40 кА.

Класс защиты III предназначен для компенсации перенапряжений со значениями тока менее 10 кА при характеристике ИП 8/20 мкс. Устройства класса защиты II и III основаны на полупроводниковых элементах.

Может показаться, что достаточно установки только устройств класса I, как наиболее мощных, но это не так. Проблема в том, что чем выше нижний порог пропускного тока, тем менее чувствителен УЗИП. Другими словами: при коротких и относительно низких значениях ИП мощный УЗИП может не сработать, а более чувствительный не справится с токами такой величины.

Устройства с классом защиты III рассчитаны на устранение самых низких ИП — всего в несколько тысяч вольт. Они полностью аналогичны по характеристикам устройствам защиты, устанавливаемым производителями в блоках питания бытовой техники. При дублирующей установке они первыми принимают на себя нагрузку и предотвращают срабатывание УЗИП в приборах, ресурс которых ограничен 20-30 циклами.

Есть ли необходимость в УЗИП, оценка рисков

Полный перечень требований к организации защиты от ИП изложен в МЭК 61643-21, определить обязательность установки можно по стандарту МЭК 62305-2, согласно которому устанавливается конкретная оценка степени риска удара молнии и вызванных им последствий.

В целом при электроснабжении от воздушных ЛЭП установка УЗИП I класса почти всегда предпочтительна, если только не был выполнен комплекс мероприятий по снижению влияния гроз на режим электроснабжения: повторное заземление опор, PEN-проводника и металлических несущих элементов, устройство громоотвода с отдельным контуром заземления, установка систем уравнивания потенциалов.

Более простой способ оценить риск — сопоставить стоимость незащищенной бытовой техники и устройств защиты. Даже в многоэтажных домах, где перенапряжения имеют весьма низкие значения при характеристике 8/20, риск пробоя изоляции или выхода из строя приборов достаточно велик.

Установка устройств в ГРЩ

Большинство УЗИП имеют модульное исполнение и могут быть установлены на DIN-рейку 35 мм. Единственное требование — щит для установки УЗИП должен иметь металлический корпус с обязательным подключением к защитному проводнику.

При выборе УЗИП, помимо основных рабочих характеристик, следует учитывать также номинальный рабочий ток в режиме байпаса, он должен соответствовать нагрузке в вашей электросети. Другой параметр — максимальное напряжение ограничения, оно не должно быть ниже самого высокого значения в рамках суточных колебаний.

УЗИП подключаются последовательно к питающей однофазной или трехфазной сети, соответственно через двухполюсный и четырехполюсный автоматический выключатель. Его установка необходима на случай спаивания электродов разрядника или пробоя варистора, что вызывает постоянное короткое замыкание. На верхние клеммы УЗИП подключают фазы и защитный проводник, на нижние — нулевой.

Пример подключения УЗИП: 1 — ввод; 2 — автоматический выключатель; 3 — УЗИП; 4 — шина заземления; 5 — контур заземления; 6 — счетчик электроэнергии; 7 — дифференциальный автомат; 8 — к автоматам потребителей

При установке нескольких защитных устройств с разными классами защиты требуется их согласование с помощью специальных дросселей, подключенных последовательно с УЗИП. Защитные устройства встраиваются в цепь по возрастанию класса. Без согласования более чувствительные УЗИП будут принимать основную нагрузку на себя и раньше выйдут из строя.

Установки дросселей можно избежать, если протяженность кабельной линии между устройствами превышает 10 метров. По этой причине УЗИП I класса монтируют на фасаде еще до счетчика, защищая от перенапряжений учетный узел, а второй и третий класс устанавливают, соответственно, на ВРУ и этажных/групповых щитках.

Импульсные перенапряжения в электрических сетях — не редкость. Возникают они при прямых или близких ударах молний, из-за переключений в высоковольтных сетях, а также из-за различных аварийных процессов. При этом особой опасности подвергаются частные домовладения, которые получают питание по воздушной линии электропередачи (ВЛ).

Молния — это электрический разряд атмосферного происхождения, который развивается между грозовым облаком и землей или между грозовыми облаками. Считается, что ток прямого удара молнии, составляет примерно 100 тысяч Ампер , а напряжение до 1 миллиарда Вольт . Форма импульса перенапряжения при ударе молнии показана на рисунке ниже.

Очевидно, что воздействие напряжения в десятки тысяч вольт на электроприборы, рассчитанные на 220В приведет как минимум к выходу их из строя, а чаще — к их возгоранию.

Когда нужно применять УЗИП

Защита зданий и сооружений от возгораний при прямом попадании молнии осуществляется молниеотводами. Для жилых зданий он представляет собой сваренную сетку из стали диаметром 8 мм на плоской кровле, с шагом ячейки 15х15 или трос, протянутый на коньке кровли, если она скатного типа.

Защита техники и электропроводки от воздействий молнии осуществляется специальными аппаратами — . Применение УЗИП при вводе в здание воздушной линией является обязательным. Такое требование предъявляет ПУЭ п.7.1.22. УЗИП могут выглядеть как модули, устанавливаемые на DIN-рейку, или как устройства, встраиваемые в вилки или розетки.

Многие бытовые приборы в своих конструкциях имеют защитные блоки, так сказать, уже встроенные, которые защищают от импульсных перенапряжений. Это опасный вид напряжения, которое может быть вызвано грозой, при проведении ремонта сетей, при коммутации больших нагрузок и так далее. В общем, причин немало. Так вот встроенные блоки имеют очень небольшой ресурс. И если импульсная разновидность напряжения бывает часто, то приходит один момент, когда блок перестает работать и подвергает бытовую технику опасности. То есть, от перенапряжения техника просто начнет выходить из строя. Поэтому для предотвращения этих неприятностей надо установить в питающую сеть устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Итак, давайте разбираться: УЗИП – что это такое?

Как работает УЗИП

Принцип работы УЗИП очень простое, потому что в нем несложная схема отвода перенапряжения. Так вот в схеме прибора установлен шунт, по которому электроэнергия движется к нагрузке. Конечно, которая через прибор подключена к питанию. Между шунтом и заземляющей линией устанавливается перемычка (мост), состоящая из варистора или разрядника.

Так вот, если напряжение в сети нормальное, то сопротивление варистора определяется мегаомами. Как только на линии появляется перенапряжение, то варистор тут же переходит в категорию проводников и начинает через себя пропускать ток, который устремляется в заземление. Вот так все просто.

Разновидности УЗИП

Существует три класса, обозначаемые римскими цифрами.

Класс I используется в сетях, где импульс (волна) имеет характеристику 10/350 мкс. Как понять это? По сути, это время, в течение которого импульс достигнет своего максимума, и оно равно 10 микросекунд. А 350 мкс – это время падения напряжения до номинального. При этом УЗИП данного класса может выдерживать токи краткосрочного типа в пределах 25-100 кА. Это соответствует, например, удару молнии в линию электропередачи, если место удара удалено от потребителя на 1,5 км.
Класс II. Обозначим сразу показатели: 8/20 мкс, 10-40 кА. В этом приборе используются только варисторы. А так как эти элементы имеют незначительный ресурс, то в схему подключения между ними и шунтом впаивается предохранитель, он механический. Как только сопротивление варистора станет, так сказать, неадекватным в плане необходимой безопасности, предохранитель размыкает цепь. Он просто отпаивается. Если посмотреть на это с точки зрения физического принципа работы, то это в точности тепловая защита. Кстати, производители позаботились о том, чтобы предупреждать о снижении сопротивления варистора. Он связан с индикатором, который выведен на панель УЗИП.
Класс III. Приборы этого класса в точности повторяют предыдущий. Есть одно отличие – это сила тока, которую варистор должен выдерживать, ее значение не превышает 10 кА.

Кстати, необходимо отметить, что защитные блоки, встраиваемого типа, имеют точно такую же схему, и они работают точно также по этому принципу. Но как было сказано выше, у них слишком низкий ресурс эксплуатации. Поэтому добавляя в сеть УЗИП третьего класса, вы решаете проблемы с преждевременным отказом бытовой техники, связанными с перенапряжением в питающей сети.

Правда, надо быть до конца честными, разбираясь с прибором этого типа. Высокую надежность могут гарантировать сразу все три класса, установленные в распределительный щит. Почему? Все дело в разных импульсах. К примеру, УЗИП первого класса не сработает, если импульс напряжения будет коротким. Да и сама величина перенапряжения будет незначительной. Потому что это устройство относится к группе малочувствительных. А вот прибор с малой пропускной способностью по мощности просто не справиться с большой силой тока.

Добавим, что схема подключения данного устройства достаточно проста. По сути, он подключается как обычный автоматический выключатель.

Любые бытовые электроприборы, работающие в домашней проводке, создаются изготовителями для питания от гармоничного сигнала синусоиды с напряжением 220 или 380 вольт.

Сложная электронная техника использует выпрямленный специальными блоками постоянный ток.

Когда форма и амплитуда питающего напряжения изменяется, то она сильно влияет на качество работы бытовых потребителей, снижая их ресурс.

Защите бытовой домашней техники необходимо уделять серьезное внимание:

выполнить качественную своими руками или привлечением электротехнических специалистов ;
обеспечить надежную работу ;
применить в помещениях повышенной опасности ;
использовать , исключающее воздействие нарушений питания от аварийных ситуаций из энергосистемы;
позаботиться о , способной противостоять грозовым разрядам, приносящим огромной вред зданию и жильцам;
противодействовать бытовой сети, используя устройства с импульсной защитой от перенапряжений УЗИП.

Какие импульсы тока могут возникнуть в бытовой домашней сети

Характер протекания тока по оборудованию принят за основу для проектирования электрических приборов и показан на картинке ниже.

Идеальная синусоида и выпрямленный из нее постоянный ток обеспечивают номинальный режим эксплуатации. Его нарушить может импульс, пришедший от:

разряда молнии;
перенапряжения электросети аварийными режимами.

Приведенные на нижних графиках характеристики носят общий характер. Они меняются в каждом конкретном случае. Однако, следует сразу заметить, что импульс молнии по величине значительно больше, а по времени продолжительнее на 17 крат (350/20=17).

Мощность молнии намного превышает импульс обычного перенапряжения сети, обладает повышенными разрушительными способностями по сравнению с ним.

Поэтому для устранения последействий молнии применяются специализированные защиты импульсного типа.

Сведем их к четырем пунктам:

Импульсные защиты рассчитываются на режим пребывания в готовности к срабатыванию при нахождении под номинальным напряжением сети. При возникновении перенапряжений от аварий они могут повреждаться, сами требуют защиты.
создается для эксплуатации синусоидальных или постоянных токов. К работе под импульсном разрядом молнии он не приспособлен.
Защита УЗИП автоматами запрещена. Для нее выбирают только предохранители.
По условиям безопасной эксплуатации корпус УЗИП первого класса лучше использовать цельной конструкцией без добавочных модулей съемного типа.
При выборе устройств защит от импульсного перенапряжения, предназначенных для обработки токов молний более 20 кА с соотношениями импульса 10/350 миллисекунд, необходимо ориентироваться на разрядники.
Монтаж УЗИП следует выполнять в электрическом щите с металлическим корпусом, который наиболее отвечает требованиям пожарной безопасности.

Разберём его на примере, представленном картинкой ниже.

Электрическая энергия в дом может поступать по воздушной линии, оборудованной:

самонесущими изолированными проводами СИП - ВЛИ;
обыкновенными проводами без внешнего слоя изоляции - ВЛ.

Наличие диэлектрического слоя на токопроводящих элементах воздушной линии уменьшает воздействие разряда молнии, влияет на конструкцию работающего УЗИП и его схему подключения.

При питании дома от ВЛИ создается система заземления по схеме TN-C-S. УЗИП монтируется между фазными проводниками и PEN. Место расщепления PEN на РЕ и N провода при удалении на 30 метров от здания требует дополнительной защиты.

Наличие на доме смонтированной внешней молниезащиты, подвод металлических коммуникаций инженерных систем влияют на электрическую безопасность здания, выбор и схему подключения УЗИП.

Рассмотрим четыре варианта возможных схем.

Вариант 1

Условия

без внешней молниезащиты;
с отсутствующими металлическими коммуникациями, встроенными в дом;

Решение

При такой ситуации вероятность образования прямого удара молнии в здание резко снижается:

изоляцией проводов ВЛИ;
отсутствием молниеприемника защиты и внешних металлических открытых токопроводящих частей.

Поэтому вполне достаточно защититься от импульсов перенапряжения, обладающих формой 8/20 мкс для тока.

Вполне подойдет УЗИП с комбинированным классом защит 1+2+3 в едином корпусе марки DS131VGS-230. Причем, ее защитная функция по устранению импульсов тока молнии формы 10/350 мкс с амплитудой до 12,5 кА вряд ли будет использована.

Размах тока от импульсов перенапряжения можно выбрать из диапазона 5÷20 кА с учетом периода грозовых дней. Проще остановиться на максимальном значении.

Вариант 2

Условия

Электричество поступает по ВЛИ. Здание:

без внешней молниезащиты;
с металлическими коммуникациями водо- или газопровода, встроенными в дом;
схема системы заземления TN-C-S.

Решение

По сравнению с предыдущим случаем здесь возможен грозовой разряд молнии по трубопроводу силой до 100 кА. Этот ток внутри трубы разветвится на оба конца по 50 кА. С нашей стороны дома эта часть разделится по 25 кА на контур заземления и здание.

PEN проводник заберет свою долю в 12,5 кА, а оставшаяся половинка импульса такой же силы сквозь УЗИП станет проникать в фазный провод. Поэтому ее надо будет подавлять.

Вполне можно выбрать ту же модель УЗИП, что и ранее, но ее возможность защиты от импульса молнии с формой 10/350 мкс и размахом до 12,5 кА будет абсолютно необходима.

Вариант 3

Условия

Электричество поступает по ВЛИ. В здании:

отсутствуют металлические коммуникации, встроенными в дом;
схема системы заземления TN-C-S.

Решение

Грозовой разряд в 100 кА попадает по молниеприемнику, разделяется на два потока по 50 кА в заземляющее устройство и электросхему здания.

На РЕ шине от повторно разветвляется на PEN проводник и фазный провод по 25 кА. Сквозь УЗИП, таким образом, будет протекать импульс с формой 10/350 мкс и силой 25 кА. С такими параметрами и требуется подбирать защиты.

Вариант 4

Условия

Электричество поступает по ВЛИ. У здания:

внешняя молниезащита смонтирована;
имеются металлические коммуникации водопровода, встроенные в дом;
схема системы заземления TN-C-S.

Решение

Разряд молнии в 100 кА после молниеприемника двумя потоками по 50 кА расходится на контур заземления и электрическую схему вводного устройства. Второй поток тоже разделится поровну: 25 кА растекается через трубы водоснабжения, а очередные 25 тоже делятся по 12,5 кА на PEN проводник и фазный провод через УЗИП. Его можно выбрать той же конструкции, как и во втором варианте.

Особенности выбора УЗИП при питании от ВЛИ

В четырех разобранных примерах за основу электроснабжения здания взяты ВЛИ с СИП. У них обрыв нуля, а, следовательно, появление линейного напряжения 380 вместо фазного маловероятно. Посему выбор УЗИП можно ограничивать максимальным напряжением сети.

Учитывая рабочие нагрузки в рассмотренных четырех вариантах для УЗИП, последние вполне допустимо монтировать в металлических шкафах внутри дома. С учетом небольших габаритов здания допустимо устанавливать одно устройство УЗИП между потенциалами фазы и PEN проводника.

Вариант 5

Условие

Электричество в здание поступает по воздушной ЛЭП с оголенными проводами.

Решение

При такой ситуации высока вероятность грозового разряда в провода ВЛ, а у дома используется схема системы заземления ТТ.

Требуется создавать защиту от проникающих импульсов не только от фазных проводов относительно земли, но и от нулевого. Последняя рекомендуется в большинстве случаев, но может не применяться по местным условиям.

При подключении к открытым проводам ВЛ на электрическую безопасность дома влияет конструкция ответвления. Ее выполнение возможно:

кабелем;
самонесущими изолированными проводами СИП, как на ВЛИ;
открытыми проводами без изоляции.

При воздушном ответвлении меньшие риски обеспечивают изолированные по отдельности провода СИП с сечением от 16 мм кв и созданием промежутка относительно фазных и нулевого проводников. В них прямой удар молнии практически нереален, но он может попасть в место разделки около изоляторов на вводе. Тогда на фазе появится 50% от силы грозового разряда.

Этот случай необходимо исключать:

заводом СИП внутрь вводного устройства;
подключением РЕ шины щитка к заземляющему устройству с блокированием возможности удара молнии в это место с внешней стороны здания.

Без комплексного выполнения этих условий потребуется монтировать УЗИП на 50 кА 10/350 мкс, а при выполнении - ток молнии в открытый фазный провод силой 100 кА разделится на два потока, из которых 50 кА пойдет в сторону здания на столб ввода. Когда он стоит последним на линии, то весь разряд войдет в дом, а если ВЛ проложена дальше, то разделится на наше строение и уйдет к другим.

Эти условия являются определяющими при выборе УЗИП по силе разряда молнии.

На воздушной ЛЭП с открытыми проводами вероятен обрыв нуля, что требует выбора УЗИП на напряжение до 0,4 кВ, а не 220 вольт.

При монтаже УЗИП следует учитывать заводские рекомендации изготовителя, изложенные техническими характеристиками по схемам подключения в разных системах заземления, их особенности. Иначе от применения защиты возможен больший вред, чем польза.

Роль предохранителя в защите УЗИП

Протекание грозы обычно происходит при шквальном ветре, который может оборвать PEN проводник ВЛ во время или перед ударом молнии. Через рабочий ноль потечет фазный ток.

При разряде молнии по открытому проводу фазы у нас отрабатывает УЗИП, через который потечет импульс от грозы и ток, сопровождающий обрыв PEN, по цепочке: предохранитель, разрядник, шину РЕ и контур заземления.

Все эти элементы обладает определённым электрическим сопротивлением, снижающим величину протекающего тока. Его можно просчитать, определить по закону Ома значение сопровождающего тока, сравнить с характеристиками УЗИП. Если они разрешают эксплуатацию при большей величине, то предохранитель можно не использовать.

Компания «Электромир» своим видеороликом объясняет, почему в любом доме необходимо устанавливать УЗИП.

(10 голосов, в среднем: 5 из 5)

Итак, в предыдущих публикациях были рассмотрены физические процессы, лежащие в основе имеющих существенную дальность действия вторичных эффектов при разряде молнии – и . Ознакомившись с материалом, вы непременно придете к выводу о необходимости установки внутренней молниезащиты.

Такая защита, помимо уже рассмотренной ранее , включает также установку устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Ниже будет дан обзор различных типов этих устройств, принципов работы и правил их установки в системах электрокоммуникаций здания.

Возникающие в электросети импульсные перенапряжения бывают двух типов – противофазные и синфазные. Первые, называемые также поперечными или провод-провод, возникают на клеммах электрооборудования L/N. Для защиты от подобных перенапряжений соответствующий УЗИП устанавливается между фазными L и заземленным PEN проводниками или между фазными L и нулевым N и нулевым N и PE проводниками. Синфазные (продольные или провод – земля) перенапряжения возникают на клеммах N/PE и L/PE. Для защиты от них соответствующий УЗИП устанавливается между L и PE и N и PE проводниками. Более опасными для электрооборудования являются противофазные напряжения, но при проектировании внутренней молниезащиты, как правило, на границах зон используют схемы подключения для защиты от обоих типов перенапряжений.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ и СВОЙСТВА УЗИП

Подключение УЗИП к линиям электропитания может осуществляться тремя разными способами. Самым оптимальным является применение V-образной конфигурации. В этом случае рабочий ток течет по входящему участку цепи, затем внутри устройства по шунту и далее по исходящему участку. Последовательное подключение в разрыв проводников питания. При использовании такой конфигурации необходимо, чтобы номинальный ток нагрузки устройства I L превышал максимальное значение рабочего тока электроцепи.

И третий вариантТ-образная конфигурация или параллельное подключение позволяет использовать УЗИП в системе электропитания любой мощности, поскольку в этом случае через устройство рабочий ток не проходит. Но при этом длина присоединяющего УЗИП к электросети провода не должна превышать 50 см. Поскольку при крутизне переднего фронта импульса за счет индуктивного сопротивления провода на каждом его метре будет иметь место падение напряжения около 1 кВ, которое прибавится к величине напряжения после УЗИП.

Согласно международного стандарта IEC 61643 УЗИП для силовых линий электропитания разделяются на три типа (1 – 3) согласно трем классам испытаний (І – ІІІ). Принятый на основе этого стандарта российский ГОСТ Р 51992-2002 использует только классы испытаний. В соответствии с немецким стандартом E DIN VDE 0675-6 устройства защиты от перенапряжений разделяются на четыре класса требований, обозначаемых буквами (A, B, C и D).

Класс испытаний І означает проверку импульсом 10/350 мкс, моделирующим воздействие прямого удара молнии. Испытания проводятся в рабочем режиме импульсом тока I imp , величина которого указывается затем на корпусе изделия.

Класс испытаний ІІ включает проверку на возможность УЗИП один раз пропустить и не выйти из строя (то есть без разрушений) импульс тока 8/20 мкс величиной I max .

При этом УЗИП обоих классов обязаны выдерживать серию из пяти нарастающих импульсов амплитудой 0,1; 0,25; 0,5; 0,75 и 1,0 от величины I imp для класса І и от I max – для класса ІІ. Также устройства обоих классов проходят испытания импульсом 8/20 мкс для определения значения номинального импульсного разрядного тока I n , то есть такого воздействия, которое УЗИП может переносить без последствий для работоспособности многократно (не менее 15 импульсов).

При I n часто определяют одну из важнейших характеристик УЗИП – уровень защитного напряжения или уровень защиты U p . Этот параметр показывает, на какую величину устройство способно ограничивать появляющийся на его клеммах импульс напряжения, то есть до какого значения за ним снизиться действующее на электрооборудование импульсное перенапряжение. U p может измеряться и при иных величинах импульса тока, например I max , поэтому на УЗИП обязательно должно указываться при каких параметрах определялся уровень защиты.

Класс испытаний ІІІ означает проверку действия на УЗИП комбинированной волны: при разомкнутой цепи подается испытательный импульс напряжения 1,2/50 мкс, а при коротком замыкании цепи - импульс тока 8/20 мкс. При этом на корпусе устройства указывается значение U oc - напряжения разомкнутой цепи.

Помимо указанных, важными параметрами для всех УЗИП являются также:

U n - номинальное рабочее напряжение (то есть на электросеть с каким действующим напряжением рассчитано применение устройства);
U c - наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение (то есть максимальное напряжение в электросети переменного тока при котором устройство будет нормально работать длительное время);
t A - время срабатывания.

Основой любого УЗИП является нелинейный элемент, который резко увеличивает свою проводимость при превышении входящим напряжением определенного значения и восстанавливает ее исходную величину после уменьшения напряжения на входе. В качестве такого нелинейного элемента в УЗИП для бытовых низковольтных (до 1000 В) линий электроснабжения используются варисторы, разрядники и диоды двойной проводимости.

Воздушный разрядник состоит из электродов, разделенных воздушным зазором определенной величины – искровым промежутком. При прохождении импульса перенапряжения за счет электрического пробоя в зазоре зажигается электрическая дуга, обеспечивающая падение напряжения. Искровой промежуток в устанавливаемом в доме разряднике обязательно должен быть герметичным, то есть с защищающим от вылета раскаленных газов и плазмы закрытым корпусом. Такие УЗИП в состоянии отводить импульсы тока величиной свыше I imp = 100 кА и относятся к классу І.

В газонаполненном или газовом разряднике искровой промежуток заполнен инертным газом (аргон, неон и т.п.). Электроды и находящийся под низким давлением газ окружены герметичным металлокерамическим корпусом. Часто с целью улучшения уровня защиты на электроды наносится покрытие из радиоактивного материала для дополнительной ионизации искрового промежутка. Как правило, газовые разрядники предназначены для отвода импульсов тока 8/20 мкс величиной < 40 кА и относятся к классам ІІ или ІІІ.

После окончания действия импульса через разрядник будет проходить поддерживаемый самой электросетью сопровождающий ток, величина которого приближается к значению, рассчитываемому для тока короткого замыкания в месте установки устройства. То есть электрическая дуга замыкает не только импульс перенапряжения, но и цепь электропитания. Если разрядник не сможет погасит этот ток, то длительном воздействии это может привести к возгоранию. Поэтому для установки между проводниками L и N или L и PE (PEN) следует выбирать разрядники, у которых указанное на корпусе значение сопровождающего тока I f выше расчетного тока короткого замыкания в этом месте электроцепи. Время срабатывания УЗИП на основе разрядников t A ≤ 100 нс.

Варистор по сути является полупроводниковым резистором, для которого при характерна нелинейная зависимость электропроводности от приложенного внешнего напряжения. Во время действия импульса перенапряжения сопротивление варистора резко уменьшается и основной всплеск тока протекает через него, а не через электрооборудование. Выделяемая при прохождении через варистор тока энергия рассеивается в виде тепла. После окончания импульса перенапряжения варистор практически мгновенно восстанавливает свое первоначальное большое сопротивление. Во избежание перегрева, вызывающего разрушение с угрозой возгорания, ведущие производители снабжают устройства внутренним терморасцепителем.

Производят варисторы путем спекания при температуре около 1700 о C «таблетки» из порошкообразного полупроводника - оксида цинка (ZnO) или карбида кремния (SiC) и связующего зерна вещества (смолы, жидкое стекло, лаки и т.д.). После этого поверхность такой композитной «таблетки» металлизируется и к ней припаиваются выводы. Нелинейность изменения сопротивления варисторов при прикладываемом напряжении связана со сложными электрофизическими явлениями на поверхности зерен кристаллитов полупроводника и в межзеренной прослойке.

В отличие от разрядника, варистор не имеет сопровождающего тока, но для него характерно наличие тока утечки. То есть при нормальной работе находящегося в режиме ожидания варисторного УЗИП через него протекает ток, величина которого при номинальном рабочем напряжении электросети не превышает 1 мА. Значение напряжения, при котором через конкретный варистор протекает ток в 1 мА, называется классификационным. Поэтому для оптимизации параметров УЗИП производители выпускают модели, в которых последовательно соединяют разрядник и варистор. При этом первым исключается ток утечки, а вторым – сопровождающий ток.

Время срабатывания УЗИП на основе варисторов t A ≤ 25 нс. Используют их в устройствах всех трех классов І, ІІ и ІІІ. Заметим однако, что изготавливать надежные варисторные УЗИП для импульсов 10/350 мкс величиной более 20 кА экономически нецелесообразно. Поэтому не стоит доверять указанному на корпусе устройства І класса значению I imp , превышающему 20 кА.

Высоковольтные лавинные диоды , используемые в качестве нелинейного элемента УЗИП, обладают вольт-амперной характеристикой с резко выраженной нелинейностью. Такое свойство позволяет им ограничивать импульсы перенапряжения с превышающей напряжение лавинного пробоя p-n-перехода амплитудой. Подобные диоды называют также супрессорами или симметричными TVS-диодами. Используются они в УЗИП класса ІІІ со временем срабатывания t A ≤ 5 нс.

Нередко все виды УЗИП не совсем корректно называют грозоразрядниками или ограничителями перенапряжения. Последний термин используют в высоковольтной технике только для варисторных устройств.

В системе электроснабжения помимо коротких импульсов могут также возникать временные перенапряжения длительностью более 10 мс и амплитудой свыше 1,1U n . В случае, если амплитуда временного перенапряжения превысит для установленного УЗИП значение U c , это приведет к выходу устройства из строя с большой вероятностью возгорания. Поэтому последовательно с УЗИП следует устанавливать предохранители типа gG/gL, которые имеют меньшее по сравнению с автоматическими выключателями время срабатывания. Номинал предохранителя указывается в характеристиках УЗИП.

ВЫБОР и УСТАНОВКА УЗИП

Относящиеся к классу I (Типа 1 или класса B) устройства защиты от импульсных перенапряжений в линиях электроснабжения устанавливают на вводе в здание, где проходит граница зон молниезащиты LPZ 0 – LPZ 1. Устройства подобного типа обеспечивают в зоне LPZ 1 уровень защиты U p ≤ 4 кВ. Выбранные УЗИП после вводного автомата монтируются во вводно-распределительном устройстве, главном распределительном щите (ГРЩ) или, при нехватке места, рядом в отдельном щите. В случае установленной системы внешней молниезащиты и, особенно при воздушном вводе в дом линий электроснабжения монтаж внутренней молниезащиты является крайне необходимым.

Выбор параметра I imp для устройств первой линии обороны электрооборудования можно определять исходя из правила, что 50% тока молнии при прямом ударе попадает в дом по внешним токопроводящим коммуникациям. Для загородного дома (ІІІ класс молниезащиты) значение тока разряда молнии принимается равным 100 кА (согласно статистике наблюдений только в 5% случаев разряды молнии превышают это значение).

Для надежного уровня безопасности линий электропитании считают, что весь ток молнии пойдет по силовым кабелям. Таким образом, если в молниеприемник ударил разряд в 100 кА, то 50 кА пройдет по входящим в дом проводам, разделившись по количеству вводов. При прямом ударе в воздушную линию электроснабжения ток приблизительно в равных долях устремится к ТП и в дом. То есть, при двух входящих проводах (система заземления TN-C) на каждом из них можно получить ток 25 кА. Поэтому с учетом возможной неравномерности распределения тока имеем I imp ≤ 30 кА.

Для установленной в доме бытовой техники обеспечиваемого в LPZ 1 уровня защиты недостаточно, поэтому в доме выделяется вторая зона молниезащиты и на границе LPZ 1 - LPZ 2 устанавливаются устройства защиты от импульсных перенапряжений класса II (Типа 2 или класса C). Их монтируют во внутренних распределительных щитах (этажных или других) или в специальных щитах рядом с ними. Установка подобных УЗИП должна обеспечивать в зоне LPZ 1 уровень защиты U p ≤ 2,5 кВ.

Если ГРЩ в доме один или к нему необходимо непосредственно подключит оборудование, которое нуждается в уровне защиты, соответствующем зоне LPZ 2, то в ГРЩ устанавливаются УЗИП классов І и ІІ или готовый модуль І + ІІ. Для правильной очередности срабатывания между устройствами разных классов должно быть образованная проводом электропитания линия задержки длинной не менее 10 метров. Поэтому при установке в одном щите для их согласования необходимо использовать соответствующие дроссели. В готовом модуле такое согласование уже выполнено. С другой стороны, при выходе из строя одного входящего в модуль УЗИП заменять придется весь модуль.

Для еще более чувствительного оборудования (например, компьютеры или серверы, факсовые аппараты и т.д.) выделяется зона молниезащиты LPZ 3. В этом случае на границе LPZ 2 - LPZ 3 устанавливают УЗИП класса III (Типа 3 или класса D), которые обеспечивают уровень защиты U p ≤ 1,5 кВ. Защищаемое оборудования в этом случае не должно размещаться далее 5 метров от защищающего устройства. УЗИП класса III имеют наибольшее разнообразие конструкций: для монтажа в щите на DIN-рейку, для навесного монтажа, для установки в розеточные коробки и кабель-каналы или в виде сетевого адаптера.

Исполнение и схема монтажа УЗИП зависит от того, какая система заземления используется при организации электроснабжения здания – TT, TN-C или TN-S (получаем при разделении на вводе в дом PEN проводника). Поскольку цель данной публикации показать необходимость применения УЗИП для защиты электрооборудования и вкратце рассказать, что они собой представляют и какие имеют важные параметры, мы не будем обсуждать конкретные правила и инструкции их установки.

Если Вы не очень сильны в электротехнике то не рекомендуем самостоятельно монтировать в распределительные щиты дома УЗИП, поскольку эти устройства могут надлежаще выполнять свои функции только при правильной установке. Помимо системы электроснабжения необходимо также устанавливать соответствующие защитные устройства и на линиях слаботочных коммуникаций: спутниковое телевидение, телефонный кабель, витая пара и т.д. Поэтому предоставьте расчет и монтаж внутренней молниезащиты специалистам, проверить компетентность которых Вам помогут публикации сайта.