Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП): теория и практика. Часть 2

Защита от импульсных перенапряжений: устройства, принцип действия, параметры влияющие на выбор.

Часть 2. Как мы уже говорили в первой части статьи, для защиты от импульсных перенапряжений служит отдельный класс защитных аппаратов – устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Именно этим общим термином УЗИП, в соответствии с европейскими нормативными документами, обозначаются все устройства защиты от импульсных перенапряжений до 1кВ переменного тока и 1,5кВ постоянного (поэтому когда говорят о варисторах, разрядниках, ограничителях перенапряжения имеют в виду именно УЗИП). Далее мы будем рассматривать только низковольтные УЗИП и только для внутренней молниезащиты.

Основная функция УЗИП – это снижение импульса перенапряжения до безопасного для изоляции оборудования уровня. Все электрооборудование низкого напряжения в соответствии с европейской нормой IEC 664 подразделяют на четыре категории в соответствии с импульсным выдерживаемым напряжением (см. Рис.1). В соответствии с этим разделением и была разработана зонная концепция внутренней молниезащиты, изложенная в стандарте IEC 1312-1. Суть зонной концепции заключается в последовательном снижении импульса перенапряжения при переходе из одной зоны молниезащиты в другую, границы которых определяются импульсной стойкость изоляции оборудования. Каждая последующая зона выделяется в пределах предыдущей, а на их границах устанавливают УЗИП, ограничивающие импульс перенапряжения до уровня безопасного для оборудования, находящегося в пределах данной зоны защиты.

В соответствии с международной нормой IEC 61643 низковольтные УЗИП разделяются согласно трем классам испытаний I, II, III. Согласно немецкому стандарту E DIN VDE 0675-6 устройства защиты от импульсных перенапряжений разделяются на четыре класса – A, B, C, D.

Для разработки, испытания и оценки надежности устройств защиты от импульсных перенапряжений используются моделирующие импульсы двух типов: 10/350мкс и 8/20мкс. Первая цифра в характеристике волны тока обозначает время нарастания импульса до максимальной амплитуды. Вторая цифра определяет время от возникновения импульса до снижения его максимального значения наполовину. Импульс с формой волны 10/350мкс используется для имитации импульса тока при прямом ударе молнии в систему молниезащиты объекта или в воздушную линию электропередачи. УЗИП класса I испытываются именно импульсом 10/350мкс, поскольку они устанавливаются на вводе, в главном распределительном щите или вводно-распределительном устройстве. УЗИП класса II нормируются импульсом тока с формой волны 8/20мкс, которая характерна для удаленных прямых и непрямых ударов молнии, а также коммутационных перенапряжений. УЗИП класса III испытываются комбинированной формой волны – при разомкнутой цепи подается испытательный импульс 1,2/50мкс, а при замкнутой накоротко цепи подается импульс 8/20мкс.

Таким образом, внутри здания, в главном распределительном щите, сразу за вводным устройством, устанавливаются УЗИП класса I (В), которые ограничивают импульс перенапряжения до уровня 4кВ. Данные УЗИП предназначены для защиты питающей электросети и оборудования от прямых ударов молнии в систему внешней молниезащиты здания или воздушную линию электропередач.

В распределительных щитах устанавливаются УЗИП класса II (C), ограничивающие опасный импульс до 2,5кВ. УЗИП класса II предназначены для защиты распределительной сети объекта как второй ступени защиты при ударе молнии, а также коммутационных перенапряжений.

УЗИП класса III (D) устанавливаются для защиты конечных потребителей, электронного и другого чувствительного оборудования со стойкостью изоляции менее 1,5кВ и предназначены для защиты от остаточных бросков напряжения, несимметричных перенапряжений и фильтрации высокочастотных помех.

УЗИП класса А предназначены только для защиты воздушных линий электропередач. Они не способны эффективно защитить оборудование и электрические сети внутри зданий, поэтому в дальнейшем мы их рассматривать не будем.

УЗИП разных классов отличаются параметрами, типом защитных элементов, схемными решениями, конструктивным исполнением.

В основе принципа действия любого УЗИП лежит нелинейная зависимость проводимости защитного элемента от приложенного к его зажимам напряжения. Наиболее распространенными, эффективными и надежными, а также относительно простыми конструктивно, защитными элементами УЗИП являются разрядники с искровым промежутком, варисторы, супрессорные диоды. Каждый из этих элементов имеет свои достоинства и недостатки, а также особенности применения, которые мы и разберем ниже.

В качестве защиты от импульсных перенапряжений также могут применяться разделительные трансформаторы, которые, с одной стороны, являются идеальной защитой, поскольку трансформатор просто не способен за столь короткое время (микро- и наносекунды) передать высоковольтный импульс во вторичную обмотку. Однако, с другой стороны, при прямом попадании молнии в сеть может нарушиться целостность изоляции первичной обмотки. Также трансформатор сам по себе может являться источником перенапряжений. Кроме того, разделительный трансформатор вещь довольно дорогая и громоздкая, поэтому в дальнейшем мы их также рассматривать не будем.

Разрядник с искровым промежутком представляет собой два электрода разделенных воздушным или газонаполненным (инертным газом под низким давлением – аргоном, неоном) зазором, заключенными в герметичную металлокерамическую оболочку. Один из электродов присоединяется к защищаемой цепи, второй – заземляется. При значении напряжения, не превышающем длительно допустимого напряжения Uс, разрядник по сути является изолятором (токи утечки через разрядники с искровым промежутком не превышают нескольких наноампер, поэтому ими обычно пренебрегают). При достижении, приложенного между двумя электродами, напряжения определенного значения искровой промежуток пробивается – в зазоре появляется тлеющий разряд. При этом ток через разрядник возрастает, а напряжение снижается. При дальнейшем увеличении тока происходит зажигание электрической дуги. После зажигания дуги, напряжение на разряднике перестает зависеть от тока и, в зависимости от типа разрядника, остается в среднем на уровне 20В.

Одним из недостатков УЗИП на базе разрядников с искровым промежутком является такое явление как сопровождающий ток If. После прохождения импульса перенапряжения через разрядник начинает протекать ток, который поддерживается источником питания, т.е. самой электросистемой. Другими словами, электрическая дуга при срабатывании разрядника закорачивает не только импульс перенапряжения, но и цепь электропитания – фактически возникает короткое замыкание. Для гашения дуги, возникшей в искровом промежутке разрядника, необходимо снизить ток до уровня тока гашения дуги или снизить напряжение на разряднике. Как правило, ток через разрядник гаснет при прохождении значения напряжения через ноль. Однако если разрядник не сможет погасить сопровождающий ток, то его длительное воздействие может привести к возгоранию. Поэтому значение сопровождающего тока разрядника должно быть больше расчетного тока короткого замыкания в месте установки УЗИП. Для газонаполненных разрядников значение If находится в пределах 100-400А и поэтому их нельзя применять для установки между проводниками L и N, PE (PEN). Для защиты УЗИП на базе разрядников с искровым промежутком от токов короткого замыкания, который сам разрядник, без последствий для себя и всей системы электропитания в целом, погасить не в состоянии, последовательно с УЗИП устанавливаются аппараты защиты от сверхтоков – предохранители.

Также одним из недостатков разрядников по сравнению с варисторами является большее время реакции – порядка 100 наносекунд.

Кроме недостатков у разрядников есть также и неоспоримые преимущества: во-первых, большая отводящая способность – разрядник может пропускать через себя токи значительной величины при сравнительно небольшой выделяемой на нем энергии, поскольку она равна произведению тока на остаточное напряжение, которое, как говорилось выше, равно порядка 20В; во-вторых, у разрядников, что также уже упоминалось выше, отсутствуют токи утечки и они не подвержены тепловому старению как варисторы.

Самыми распространенными элементами защиты в УЗИП и не только в них, являются варисторы. Варистор (от англ. variable resistor – переменное сопротивление) – это нелинейный полупроводниковый резистор, обладающий свойством резко уменьшать свое сопротивление с нескольких сотен Мом до десятков Ом при увеличении напряжения на его контактах выше порогового значения (длительно допустимого рабочего напряжения Uс).

Варисторы изготавливаются спеканием при температуре около 1700°С предварительного прессованного порошкообразного карбида кремния SiC или оксида цинка ZnO. Последний материал является более предпочтительным, поскольку оксид цинка имеет коэффициент нелинейности (отношение статического сопротивления к динамическому) порядка 20-100, в то время как у варисторов на основе карбида кремния – 2-10. Таким образом варисторы на основе ZnO обладает лучшей способностью отводить высокоэнергетические импульсы. При росте напряжения на зажимах оксидно-цинкового варистора в 1,4-1,6 раза ток через него возрастает в 100000 раз.

Общий принцип действия и применение варисторов аналогичны разрядникам с искровым промежутком: варисторы также подключаются параллельно защищаемой цепи и при отсутствии опасных импульсов перенапряжения представляют собой диэлектрик, практически не влияя на нормальную работу системы. При возникновении импульса перенапряжения и превышения напряжения срабатывания, варистор резко меняет свое сопротивление практически до нуля, шунтируя тем самым защищаемую цепь, а поглощенная энергия импульса рассеивается в виде тепла. Мощность рассеяния варистора в основном определяется его геометрическими размерами и конструкцией выводов. Для увеличения мощности рассеивания варистора зачастую применяют массивные выводы, играющие роль своеобразного радиатора. Также, для повышения отводящей способности варисторы можно подключать параллельно. Варистор практически безынерционный элемент – после срабатывания и пропускания разрядного тока, варистор за очень короткое время возвращается в исходное состояние непроводимости. Таким образом, у варисторов отсутствует явление сопровождающего тока, характерное для разрядников. Еще одним преимуществом варисторов является быстродействие – время реакции на импульс перенапряжения составляет обычно до 25 наносекунд.

Рис.4 Условно графическое обозначение комбинированного УЗИП варистор + разрядник) Однако у УЗИП построенных на основе варисторов есть и ряд недостатков. Во-первых, у варисторов существует ток утечки даже в нормальном режиме, что накладывает некоторые ограничения на их применение. Например, чисто варисторные УЗИП нельзя устанавливать до счетчика электрической энергии. Во-вторых, варисторные элементы подвержены тепловому старению – со временем ток утечки через варистор в нормальном режиме увеличивается. Поэтому устройства защитного отключения, реагирующие на токи утечки, должны устанавливаться после УЗИП на основе варисторов по ходу электрической энергии. При необходимости установки УЗО до варисторного УЗИП (например, при защите от импульсных перенапряжений конечных потребителей) надо применять более дорогие селективные устройства защитного отключения, имеющие задержку времени на срабатывание при появлении тока утечки. Кроме того, как показывает практика, термическая защита варисторов срабатывает далеко не во всех аварийных ситуациях, поэтому перед УЗИП на основе варисторов необходимо устанавливать аппараты защиты от сверхтоков – предохранители.

Одной из конструктивных особенностей варисторных УЗИП является обязательное наличие термической защиты (терморасцепителя) нелинейного элемента, отключающей варистор от сети при его перегреве, обусловленном длительным протекании больших токов утечки при старении варистора или превышением реального тока разряда предельно допустимого значения. В отличие от разрядника, напряжение на варисторе при его срабатывании не падает, а растет и тем выше, чем выше ток, протекающий через варистор. Поэтому энергия, выделяемая на варисторе, значительно больше чем на разряднике, при отведении импульса перенапряжения одинаковой величины.

Для устранения недостатков, присущих разрядникам и варисторам, снижения остаточного напряжения и выделяемой на защитных элементах энергии, применяются комбинированные УЗИП, в которых варистор соединен последовательно с разрядником. При этом варистор исключает появление сопровождающего тока, а разрядник с искровым промежутком исключает токи утечки. А при прохождении импульса перенапряжения их совместная работа снижает остаточное напряжение и выделяемую энергию.

Практически все УЗИП класса III, предназначенные для «тонкой» защиты конечных потребителей, чувствительного электронного оборудования от импульсных перенапряжений и высокочастотных помех, представляют собой комбинированные УЗИП с различным набором нелинейных элементов и различными схемными решениями, зависящими от назначения и конкретного типа защищаемого оборудования. Такие УЗИП, могут подключаться не параллельно сети, а последовательно перед защищаемым оборудованием в непосредственной близости от него и могут содержать, помимо варисторов и разрядников, супрессорные диоды, а также другие элементы в различных комбинациях.

Супрессорные диоды – это кремниевые диоды, имеющие высокий коэффициент нелинейности и использующие эффект лавинного пробоя p-n переходов при появлении опасного импульса перенапряжения. Супрессорные диоды имеют время срабатывания не превышающее 5 наносекунд и обеспечивают ограничение амплитуды импульса перенапряжения и сглаживание его фронта до безопасного для чувствительного оборудования уровня.

Теперь рассмотрим основные рабочие параметры устройств защиты от импульсных перенапряжений, непосредственно влияющих на выбор конкретных аппаратов защиты для конкретных условий применения.

Для УЗИП класса I указывается импульсный ток Iimp с формой волны 10/350 мкс, который аппарат выдерживает без потери работоспособности не менее одного раза.

Номинальный разрядный ток In – это значение импульса с формой волны 8/20мкс, которое УЗИП классов I и II должно выдерживать без последствий для своей работоспособности не менее 15 раз.

Максимальный разрядный ток Imax – это максимальная амплитуда импульса с формой волны 8/20мкс, которую УЗИП класса II должно выдержать не менее одного раза.

Номинальное рабочее напряжение Un – это номинальное напряжение сети, для работы в которой предназначено УЗИП.

Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение Uc - это максимальное действующее значение переменного напряжения, которое может быть длительно, в течение всего срока службы изделия, приложено к его выводам.

Один из наиболее важных параметров УЗИП – уровень защиты Uр. Это параметр, который показывает, на какую величину защитное устройство способно ограничивать появляющийся на его зажимах импульс перенапряжения. Уровень защиты определяется при воздействии номинального разрядного тока In.

Номинальный ток нагрузки IL – это максимальное длительное действующее значение тока в цепи нагрузки, защищаемой УЗИП. Данный параметр важен для УЗИП, подключаемых в сеть последовательно с защищаемым оборудованием.

Некоторые другие параметры УЗИП мы уже разобрали ранее – сопровождающий ток, ток утечки, время срабатывания.

В последние годы ведущие производители устройств защиты от импульсных перенапряжений стали выпускать УЗИП классов I+II (B+C), I+II+II (B+C+D), II+III (C+D). Конструктивно это не значит, что в корпусе одного устройства собраны несколько УЗИП разных классов. Просто один и тот же УЗИП соответствует разным классам испытаний. Построение защиты от импульсных перенапряжений на базе таких УЗИП имеет ряд преимуществ по сравнению с устройствами, соответствующих отдельным классам испытаний.

О построении защиты от импульсных перенапряжений мы расскажем в следующей части статьи.