Устройство защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) — устройство предназначенное для защиты электрической сети и электрооборудования от перенапряжений которые могут быть вызваны прямым или косвенным грозовым воздействием, а так же переходными процессами в самой электросети.
Другими словами УЗИПы выполняют следующие функции :
— Защита от удара молнии электрической сети и оборудования, т.е. защита от перенапряжений вызванных прямыми или косвенными грозовыми воздействиями
— Защита от импульсных перенапряжений вызванных коммутационными переходными процессами в сети, связанных с включением или отключением электрооборудования с большой индуктивной нагрузкой, например силовых или сварочных трансформаторов, мощных электродвигателей и т.д.
— Защита от удаленного короткого замыкания (т.е. от перенапряжения возникшего в результате произошедшего короткого замыкания)
УЗИПы имеют различные названия: ограничитель перенапряжений сети — ОПС (ОПН) , ограничитель импульсных напряжений — ОИН , но все они имеют одинаковые функции и принцип работы.
Принцип работы и устройство защиты УЗИП
Принцип работы УЗИПа основан на применении нелинейных элементов, в качестве которых, как правило, выступают варисторы.
Варистор — это полупроводниковый резистор сопротивление которого имеет нелинейную зависимость от приложенного напряжения.
Ниже представлен график зависимости сопротивления варистора от приложенного к нему напряжения:
Из графика видно, что при повышении напряжения выше определенного значения сопротивление варистора резко снижается.
Как это работает на практике разберем на примере следующей схемы:
На схеме упрощенно представлена однофазная электрическая цепь, в которой через автоматический выключатель подключена нагрузка в виде лампочки, в цепь так же включен УЗИП, с одной стороны он подключен к фазному проводу после , с другой — к заземлению.
В нормальном режиме работы напряжение цепи составляет 220 Вольт, при таком напряжении варистор УЗИПа обладает высоким сопротивлением измеряющимся тысячами МегаОм, настолько высокое сопротивление варистора препятствует протеканию тока через УЗИП.
Что же происходит при возникновении в цепи импульса высокого напряжения, например, в результате удара молнии (грозового воздействия).
На схеме видно что при возникновении импульса в цепи резко возрастает напряжение, что в свою очередь вызывает мгновенное, многократное уменьшение сопротивления УЗИПа (сопротивление варистора УЗИПа стремится к нулю), уменьшение сопротивление приводит к тому, что УЗИП начинает проводить электрически ток, закорачивая электрическую цепь на землю, т.е. создавая короткое замыкание которое приводит к срабатыванию автоматического выключателя и отключению цепи. Таким образом ограничитель импульсных перенапряжений защищает электрооборудование от протекания через него импульса высокого напряжения.
Классификация УЗИП
Согласно ГОСТ Р 51992-2011 разработанного на основе международного стандарта МЭК 61643-1-2005 есть следующие классы УЗИП:
УЗИП 1 класс — (так же обозначается как класс B ) применяются для защиты от непосредственного грозового воздействия (удара молнии в систему), атмосферных и коммутационных перенапряжений. Устанавливаются на вводе в здание во вводно-распределительном устройстве (ВРУ) или главном распределительном щите (ГРЩ). Обязательно должен устанавливаться для отдельно стоящих зданий на открытой местности, зданий подключаемых к воздушной линии, а так же зданий имеющих молниеотвод или находящихся рядом с высокими деревьями, т.е. зданиях с высоким риском оказаться под прямым или косвенным грозовым воздействием. Нормируются импульсным с формой волны 10/350 мкс. Номинальный разрядный ток составляет 30-60 кА.
УЗИП 2 класс — (так же обозначается как класс С ) применяются для защиты сети от остатков атмосферных и коммутационных перенапряжений прошедших через УЗИП 1-го класса. Устанавливаются в местных распределительных щитках, например во вводном щитке квартиры или офиса. Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс Номинальный разрядный ток составляет 20-40 кА.
УЗИП 3 класс — (так же обозначается как класс D ) применяются для защиты электронной аппаратуры от остатков атмосферных и коммутационных перенапряжений, а так же высокочастотных помех прошедших через УЗИП 2-го класса. Устанавливаются в разветвительные коробки, розетки, либо встраивается непосредственно в само оборудование. Примером использования УЗИПа 3-го класса служат сетевые фильтры применяемые для подключения персональных компьютеров. Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс. Номинальный разрядный ток составляет 5-10 кА.
Маркировка УЗИП — характеристики
Характеристики УЗИП:
- Номинальное и максимальное напряжение — максимальное рабочее напряжение сети на работу под которым рассчитан УЗИП.
- Частота тока — рабочая частота тока сети на работу при которой рассчитан УЗИП.
- Номинальный разрядный ток (в скобках указана форма волны тока) — импульс тока с формой волны 8/20 микросекунд в килоАмперах (кА), который УЗИП способен пропустить многократно.
- Максимальный разрядный ток (в скобках указана форма волны тока) — максимальный импульс тока с формой волны 8/20 микросекунд в килоАмперах (кА) который УЗИП способен пропустить один раз не выйдя при этом из строя.
- Уровень напряжения защиты — максимальное значение падения напряжения в килоВольтах (кВ) на УЗИПе при протекании через него импульса тока. Данный параметр характеризует способность УЗИПа ограничивать перенапряжение.
Схема подключения УЗИП
Общим условием при подключении УЗИП являетя наличие со стороны питающей сети предохранителя или соответствующего нагрузке сети, поэтому все представленные ниже схемы будут включать в себя автоматические выключатели (схему подключения УЗИП в электрощитке ):
Схемы подключения УЗИП (ОПС, ОИН) в однофазную сеть 220В (двухпроводную и трехпроводную):
Схемы подключения УЗИП (ОПС, ОИН) в трехфазную сеть 3800В
Принципиальные схемы подключения УЗИП выглядят следующим образом.
Современный человек, стараясь идти в ногу со временем, насыщает свой дом электроприборами самого различного назначения. Но не каждый домовладелец задумывается о том, что в случае возникновения в сети даже очень кратковременного импульсного напряжения в разы превышающего номинальное, весь его дорогостоящий парк электротехники и электроники может выйти из строя. Что примечательно, воздействие перенапряжения на электрические потребители пагубно тем, что пораженная техника, как правило, становится не пригодной для ремонта. Данный форс-мажор пусть не часто, но гарантировано может быть следствием перенапряжения в сетях, вызванного воздействием грозы, аварийным перехлестом фаз или коммутационных процессов. Защитить электрооборудование призваны так называемые устройства защиты от импульсных перенапряжений. Принцип работы УЗИП, классы и разницу между ними мы рассмотрели ниже.
Классификация УЗИП
Аппараты защиты от импульсных напряжений являются широким и обобщенным понятием. В эту категорию устройств входят приборы, которые можно подразделить на классы:
- I класс. Предназначены для защиты от непосредственного воздействия грозового разряда. Данными устройствами в обязательном порядке должны укомплектовываться вводно-распределительные устройства (ВРУ) административных и промышленных зданий и жилых многоквартирных домов.
- II класс. Обеспечивают защиту электрических распределительных сетей от перенапряжений, вызванных коммутационными процессами, а также выполняющие функции второй ступени защиты от воздействия удара молнии. Монтируются и подключаются к сети в распределительных щитах.
- III класс. Применяются, чтобы обезопасить аппаратуру от импульсных перенапряжений, вызванных остаточными бросками напряжений и несимметричным распределением напряжения между фазой и нулевым проводом. Устройства данного класса работают также в режиме фильтров высокочастотных помех. Наиболее актуальны для условий частного дома или квартиры, подключаются и устанавливаются непосредственно у потребителей. Особой популярностью пользуются устройства, которые изготавливаются, как модули, оснащенные быстросъемным креплением для установки на , либо имеют конфигурацию электрических штепсельных розеток или сетевых вилок.
Типы устройств
Все устройства, обеспечивающие защиту от импульсных перенапряжений, подразделяются на два типа, которые отличаются по конструкции и принципу действия. Рассмотрим, как работает УЗИП разных видов.
Вентильные и искровые разрядники . Принцип действия разрядников основан на использовании эффекта искровых промежутков. В конструкции разрядников предусмотрен воздушный зазор в перемычке, соединяющей фазы линии электропередач с заземляющим контуром. При номинальной величине напряжения цепь в перемычке разорвана. В случае воздействия грозового разряда в результате в ЛЭП происходит пробой воздушного зазора, цепь между фазой и землей замыкается, импульс высокого напряжения уходит напрямую в землю. Конструкция вентильного разрядника в цепи с искровым промежутком предусматривает резистор, на котором происходит гашение высоковольтного импульса. Разрядники в большинстве случаев находят применение в сетях высокого напряжения.
Ограничители перенапряжения (ОПН) . Данные устройства пришли на смену устаревшим и громоздким разрядникам. Для того чтобы понять, как работает ограничитель, надо вспомнить свойства нелинейных резисторов, построен на использовании их вольтамперных характеристик. В качестве нелинейных резисторов в УЗИП используется варистор. Для людей не искушенных в тонкостях электротехники, немного информации, из чего состоит и как он работает. В качестве основного материала для изготовления варисторов служит оксид цинка. В смеси с окислами других металлов создается сборка, состоящая из p-n переходов, обладающая вольтамперными характеристиками. Когда величина напряжения в сети соответствует номинальным параметрам, ток в цепи варистора близок к нулю. В момент возникновения перенапряжения на p-n переходах происходит резкое возрастание тока, что приводит к снижению напряжения до номинальной величины. После нормализации параметров сети варистор возвращается в непроводящий режим и влияние на работу устройства не оказывает.
Компактные размеры ОПН и обширный диапазон разновидностей данных приборов позволили значительно расширить область применения этих устройств, появилась возможность использования УЗИП, как средства защиты от перенапряжений для частного дома или квартиры. Однако ограничители импульсных напряжений, собранные на варисторах, несмотря на все свои преимущества по сравнению с разрядниками, имеют один существенный недостаток – ограничение ресурса работы. Вследствие встроенной в них тепловой защиты, прибор после срабатывания остается некоторое время неработоспособным, по этой причине на корпусе УЗИП предусмотрено быстросъемное устройство, позволяющее произвести быструю замену модуля.
Более подробно о том, что такое УЗИП и какое у него назначение, вы можете узнать из видео:
Как обустроить защиту?
Прежде чем приступить к установке и подключению средств защиты от импульсных перенапряжений, необходимо , иначе все работы по обустройству УЗИП потеряют весь смысл. Классическая схема предусматривает 3 уровня защиты. На вводе устанавливаются разрядники (УЗИП класс I) , обеспечивающие грозозащиту. Следующее защитное устройство класс II, как правило, ОПН подключается в распределительном щите дома. Степень его защиты должна обеспечивать снижение величины перенапряжения до параметров безопасных для бытовых приборов и сети освещения. В непосредственной близости электронных изделий, чувствительных к колебаниям по току и напряжению желательно класса III.
При подключении УЗИП необходимо предусмотреть их токовую защиту и защиту от коротких замыканий вводным автоматическим выключателем или плавкими предохранителями. Подробнее о монтаже данных защитных устройств мы расскажем в отдельной статье.
Вот мы и рассмотрели принцип работы УЗИП, классы и разницу между ними. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной!
Бурное развитие электронного оборудования, его усложнение и миниатюризация привели к массовому применению микропроцессоров в управлении производственными и технологическими процессами, системами обеспечения жизнедеятельности человека. Стремительная миниатюризация оборудования затронула не только электронную, но и электротехническую промышленность. Обратной стороной миниатюризации стала чувствительность электронного и электротехнического оборудования к импульсным перенапряжениям и высокочастотным помехам. Выход из строя оборудования в этих случаях может оказаться наименьшим из бед, значительно больше ущерба приносит остановка производства, срыв трафика, потеря данных. Импульсное перенапряжение - это кратковременное напряжение длительностью от единиц наносекунд до десятков микросекунд, максимальное значение которого многократно превышает значение номинального напряжения электрической сети или линии связи. Импульсные перенапряжения носят вероятностный характер, их параметры определяются источниками возникновения и электрическими свойствами проводников в которых они возникают. Источниками возникновения импульсных перенапряжений являются удары молний, коммутационные процессы в распределительных электрических сетях и электромагнитные помехи, создаваемые промышленными электроустановками и электронными приборами.Удар молнии - электрический разряд атмосферного происхождения между грозовым облаком и землей или между грозовыми облаками, состоящий из одного или нескольких импульсов тока. Во время протекания разряда по каналу молнии протекает электрический ток, достигающий значений 200 кА и более. Прямой удар молнии (ПУМ) в объект (сооружение, здание и др.) может привести к механическим повреждениям конструкций, поражению людей, сбою или выходу из строя электрических и электронных систем.
При межоблачных разрядах или ударах молнии радиусе до нескольких километров вблизи от объектов и коммуникаций входящих в объект в металлических элементах конструкций и коммуникациях возникают индуцированные перенапряжения приводящие к пробою изоляции проводников и оборудования, сбою или выходу из строя электрических и электронных систем.
Импульсные перенапряжения также возникают при коммутации индуктивных и емкостных нагрузок, коротких замыканиях в распределительных электрических сетях высокого и низкого напряжения.
Защита оборудования объектов от импульсных перенапряжений может быть обеспечена при выполнении комплекса технических мероприятий включающего:
Создание системы внешней молниезащиты (МЗС);
Создание системы заземления;
Создание системы уравнивания потенциалов путем присоединения к главной заземляющей шине (ГЗШ) всех металлических элементов конструкции, входящих в сооружение коммуникаций, корпусов оборудования за исключением токоведущих и сигнальных проводников;
Экранирование сооружения, оборудования и сигнальных проводников;
Установка на всех токоведущих и сигнальных проводниках устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) с целью уравнивания их потенциалов относительно земли.
Литература: 1. МЭК 62305 «Защита от удара молнии» Части 1-5; 2. ГОСТ Р 50571.19-2000 «Электроустановки зданий. Часть 4. Требования по обеспечению безопасности. Глава 44. Защита от перена пряжений. Раздел 443. Защита электроустановок от грозовых и коммутационных перенапряжений».3. ПУЭ (7-е изд.)4. СО–153-34.21.122-2003 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций».5. Технические материалы компании Hakel.
Стандарт ГОСТ 13109-97 не дает никаких предельных и допустимых значений импульса, а только дает нам форму этого импульса и определение. Мы полагаем при измерениях, что в сети импульсов не должно случаться. И если они будут, то нужно будет разбираться и искать виноватых. При наших измерениях в сетях 0,4 кВ мы с проблемами импульса не сталкивались. Это и не мудрено — меряя на стороне 0,4 кВ любой импульс поглотиться или срежется ограничителями перенапряжений, но это тема для другой статьи. Но как говорится предупрежден, значит вооружен. Поэтому дадим в статье, то что знаем.
вот эти определения из ГОСТ 13109-97 :
импульс напряжения - резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд;
— амплитуда импульса - максимальное мгновенное значение импульса напряжения;
— длительность импульса - интервал времени между начальным моментом импульса напряжения и моментом восстановления мгновенного значения напряжения до первоначального или близкого к нему уровня;
От чего возникают импульсы?
Импульсные напряжения вызываются грозовыми явлениями, а также переходными процессами при коммутациях в системе электроснабжения. Грозовые и коммутационные импульсы напряжения существенно различаются по характеристикам и форме.
Импульсное напряжение – это резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня в течение 10-15 мкс (грозовой импульс) и 10-15 мс (коммутационный импульс). И если длительность фронта грозового импульса тока на порядок меньше, чем коммутационного, то амплитуда грозового импульса может быть на несколько порядков выше . Измеренное максимальное значение тока разряда молнии в зависимости от его полярности может изменяться от 200 до 300 кА, что происходит редко. Обычно этот ток достигает 30-35 кА .
На рисунке 1 приведена осциллограмма импульса напряжения, а на рисунке 2 – его общий вид.
Удары молнии в линии электропередачи или вблизи них в землю приводят к появлению импульсных напряжений, опасных для изоляции линий и электрооборудования подстанций. Основной причиной выхода из строя изоляции объектов электроэнергетики, перерывов электроснабжения и затрат на его восстановление является поражение молнией этих объектов.
Рисунок 1 — Осциллограмма импульса напряжения
Рисунок 2 — Общий вид импульса напряжения
Грозовые импульсы – распространенное явление. При разрядах молния попадает в грозозащитное устройство зданий и подстанций, соединенных кабелями высокого и низкого напряжения, линиями связи и управления. При одной молнии могут наблюдаться до 10 импульсов, следующих друг за другом с интервалом от 10 до 100 мс. При ударе молнии в заземляющее устройство его потенциал относительно удаленных точек повышается и достигает миллиона вольт. Это способствует тому, что в петлях, оборудованных кабельными и воздушными связями, индуцируется напряжение от нескольких десятков вольт до многих сотен киловольт. При попадании молнии в воздушные линии вдоль них распространяется волна перенапряжения, которая достигает сборных шин подстанции. Волна перенапряжения ограничивается либо прочностью изоляции при ее пробое, либо остаточным напряжением защитных разрядников, сохраняя при этом остаточное значение, достигающее десятков киловольт.
Коммутационные импульсы напряжения возникают при коммутациях индуктивных (трансформаторы, двигатели) и емкостных (конденсаторные батареи, кабели) нагрузках. Возникают они при КЗ и его отключении. Значения коммутационных импульсов напряжения зависят от типа сети (воздушная или кабельная), вида коммутации (включение или отключение), характера нагрузки и типа коммутационного устройства (предохранитель, разъединитель, выключатель). Коммутационные импульсы тока и напряжения имеют колебательный затухающий повторяющийся характер, обусловленный горением дуги.
Значения коммутационных импульсов напряжений длительностью на уровне 0,5 амплитуды импульса (см. рис. 3.22), равной 1-5 мс, приведены в таблице .
Импульс напряжения характеризуется амплитудой U имп.а, максимальным значением напряжения U имп, длительностью переднего фронта, т.е. интервалом времени от начала импульса t нач до момента достижения им максимального (амплитудного) значения t амп и длительностью импульса напряжения по уровню 0,5 его амплитуды t амп 0,5 . Две последние временные характеристики показывают в виде дроби ∆t амп /t имп 0,5 .
Значение коммутационных импульсных напряжений
Список использованных источников
1.Кужекин И.П. , Ларионов В.П., Прохоров В.Н. Молния и молниезащита. М.: Знак, 2003
2. Карташев И.И. Управление качеством электроэнергии / И.И. Карташев, В.Н. Тульский, Р.Г. Шамонов и др.: под ред. Ю.В. Шарова. – М. : Издательский дом МЭИ, 2006. – 320 с.: ил.
3. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введ. 1999-01-01. Минск: ИПК Изд-во стандартов, 1998. 35 с.
|
импульсное перенапряжение
В настоящее время в различных литературных источниках для описания процесса резкого повышения напряжения используются следующие термины:перенапряжение,
амплитуды напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд вызываемое коммутационными процессами в электрической сети или молниевыми разрядами . В соответствии с классификацией электромагнитных помех [ГОСТ Р 51317.2.5-2000] указанные помехи относятся к кондуктивным высокочастотным переходным электромагнитным апериодическим помехам. [Техническая коллекция Schneider Electric. Выпуск № 24. Рекомендации по защите низковольтного электрооборудования от импульсных перенапряжений ] импульсное повышение электропитания |
|
| EN |
surge spike Sharp high voltage increase (lasting up to 1mSec). [http://www.upsonnet.com/UPS-Glossary/ ] |
| FR |
Параллельные тексты EN-RU
Surges are caused by nearby lightning activity and motor load switching
created by air conditioners, elevators, refrigerators, and so on.
ВОПРОС: ЧТО ЯВЛЯЕТСЯ ИСТОЧНИКОМ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ПОМЕХ?
Основных источников импульсов перенапряжений - всего два.
1. Переходные процессы в электрической цепи, возникающие вследствии коммутации электроустановок и мощных нагрузок.
2. Атмосферный явления - разряды молнии во время грозы
ВОПРОС: КАК ОПАСНОЕ ИМПУЛЬСНОЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЕ МОЖЕТ ПОПАСТЬ В МОЮ СЕТЬ И НАРУШИТЬ РАБОТУ ОБОРУДОВАНИЯ?
Импульс перенапряжения может пройти непосредственно по электрическим проводам или шине заземления - это кондуктивный путь проникновения.
Электромагнитное поле, возникающее в результате импульса тока, индуцирует наведенное напряжение на всех металлических конструкциях, включая электрические линии - это индуктивный путь попадания опасных импульсов перенапряжения на защищаемый объект.
ВОПРОС: ПОЧЕМУ ПРОБЛЕМА ЗАЩИТЫ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ ОСТРО ВСТАЛА ИМЕННО В ПОСЛЕДНЕЕ ВРЕМЯ?
Эта проблема приобрела актуальность в связи с интенсивным внедрением чувствительной электроники во все сферы жизни. Учитывая возросшее количество информационных линий (связь, телевидение, интернет, ЛВС и т.д.) как в промышленности, так и в быту, становится понятно, почему защита от импульсных перенапряжений и приобрела сейчас такую актуальность.
Защита от импульсного перенапряжения. Ограничитель перенапряжения - его виды и возможности
Чем опасно импульсное перенапряжение для бытовых электроприборов?
Изоляция любого электроприбора рассчитана на определенный уровень напряжения. Как правило электроприборы напряжением 220 - 380 В рассчитаны на импульс перенапряжения около 1000 В. А если в сети возникают перенапряжения с импульсом 3000 В? В этом случае происходит пробои изоляции. Возникает искра - ионизированный промежуток воздуха, по которому протекает электрический ток. В следствии этого - электрическая дуга, короткое замыкание и пожар.
Заметьте, что прибой изоляции может возникнуть, даже если у вас все приборы отключены от розеток. Под напряжением в доме все равно останутся электропроводка, распределительные коробки, те же розетки. Эти элементы сети также не защищены от импульсного перенапряжения.
Причины возникновения импульсного перенапряжения.
Одна из причин возникновения импульсных перенапряжений это грозовые разряды (удары молнии). Коммутационные перенапряжения которые возникают в результате включения/отключения мощной нагрузки. При перекосе фаз в результате короткого замыкания в сети.
Защита дома от импульсных перенапряжений
Избавиться от импульсных перенапряжений - невозможно, но для того чтобы предотвратить пробой изоляции существуют устройства, которые снижают величину импульсного перенапряжения до безопасной величины.
Такими устройствами защиты являются УЗИП - устройство защиты от импульсных перенапряжений.
Существует частичная и полная защита устройствами УЗИП.
Частичная защита
подразумевает защиту непосредственно от пробоя изоляции (возникновения пожара), в этом случае достаточно установить один прибор УЗИП на вводе электрощитка (защита грубого уровня).
При полной защите
УЗИП устанавливается не только на вводе, но и возле каждого потребителя домашней электросети (телевизора, компьютера, холодильника и т.д.) Такой способ установки УЗИП дает более надежную защиту электрооборудованию.
