УЗИП

Импульсные помехи в сети довольно распространены, они могут возникать во время грозы, при включении/выключении мощных нагрузок (поскольку сеть это RLC цепь, то в ней при этом возникают колебания, вызывающие выбросы напряжения) и многие другие факторы. В слаботочных, в том числе цифровых цепях, это еще более актуально, поскольку коммутационные помехи достаточно хорошо проникают через источники питания (больше всего защищенными являются Обратноходовые преобразователи — в них энергия трансформатора передается на нагрузку, когда первичная обмотка отключена от сети).

В Европе уже давно де-факто практически обязательна установка модулей защиты от импульсных перенапряжений (далее буду, для простоты, называть грозозащитой или УЗИП), хотя сети у них получше наших, а грозовых областей меньше.

Особо актуальна стало применение УЗИП последние 20 лет, когда ученые стали разрабатывать все больше вариантов полевых MOSFET транзисторов, которые очень боятся превышения обратного напряжения. А такие транзисторы используются практически во всех импульсных источниках питания до 1 кВА, в качестве ключей на первичной (сетевой) стороне.

Другой аспект применения УЗИП — обеспечение ограничения напряжения между нейтральным и земляным проводником. Перенапряжение на нейтральном проводнике в сети может возникать, например, при переключении Автомата ввода резерва с разделенной нейтралью. Во время переключения, нейтальный проводник окажется «в воздухе» и на нем может быть что угодно.

Концепция зонной защиты

Для защиты электрооборудования и электроники от импульсов перенапряжения, как «заходящих» в дом так возникающих внутри здания применяется концепция зонной защиты. Суть ее заключается в последовательном снижении импульсного перенапряжения при переходе в следующую зону молниезащиты LPZ (Lightning Protection Zone). Каждая последующая зона выделяется в пределах предыдущей. То есть они «вставлены» одна в другую подобно матрешкам. На границах LPZ устанавливают УЗИП, которые снижают величину импульса перенапряжения до приемлемого для находящегося в данной зоне электрооборудования.

В соответствии с международными стандартами IEC 61312-1, IEC 62305-4 (ДСТУ EN 62305-4:2012, ) и DIN VDE V 0185-4 определяют следующие зоны: одну внешнюю по отношению к зданию, которая имеет две или три подзоны, и три – внутри здания.

• LPZ 0_А – Не имеющая никакой защиты область вне здания, которая подвергается непосредственному воздействию разряда (канала) молнии и генерируемого при этом электромагнитного излучения.
• LPZ 0_В – Защищенная системой внешней молниезащиты область вне здания, которая подвергается воздействию только генерируемого при разряде молнии электромагнитного излучения.
• LPZ 0_С – Зона шириной и высотой 3 м вокруг здания, в которой существует опасность для жизни, обусловленная попаданием под шаговое напряжение или прикосновением к проводнику при стекании и растекании тока молнии в грунте (выделяется стандартами IEC 62305-4 и DIN VDE V 0185-4).
• LPZ·1 – Защищенная от непосредственного воздействия разряда молнии внутренняя часть помещения. В ней воздействие на токопроводящие элементы электромагнитного поля молнии за счет экранирующих свойств строительной конструкции самого здания существенно ниже, чем в LPZ 0.
• LPZ 2 – Область внутри помещения с повышенными требованиями к защите, что предполагает последующее снижение по сравнению с LPZ 1 влияния электромагнитного поля молнии.
• LPZ 3 – Область внутри помещения, оборудование в которой требует наибольшей защиты от импульсных перенапряжений. Как правило, это конечный потребитель (даже может быть проводящий корпус конкретного устройства).

Конкретная величина допустимого уровня импульсного перенапряжения определяется свойствами размещенного в здании электрооборудования и электроники.

Реализация концепции зонной защиты осуществляется установкой на границе зон соответствующих УЗИП, которые понижают до приемлемой величины амплитуду импульсов перенапряжения. Так как следующая зона находится внутри предыдущей, то УЗИП образуют каскад, при помощи которого импульсное перенапряжение снижается ступенчато на границах зон.

Для надежной защиты домашней электропроводки необходимо построить многоуровневую (по крайней мере, трехступенчатую) систему защиты из УЗИП разных классов. Их применение регламентирует ГОСТ Р 51992-2002 (МЭК 61643-1-98). Согласно этому ГОСТУ существуют три класса таких устройств.

УЗИП класса I(B)

Предназначены для защиты от прямых ударов молнии в систему молниезащиты здания или воздушную линию электропередач. Устанавливаются на вводе в здание во вводно-распределительном устройстве (ВРУ) или главном распределительном щите (ГРЩ). Нормируются импульсным током I imp с формой волны 10/350 мкс. Номинальный разрядный ток 30-60 кА.

УЗИП класса II(C)

Такие устройства защиты от импульсных перенапряжений предназначены для защиты токораспределительной сети объекта от коммутационных помех или как вторая ступень защиты при ударе молнии. Устанавливаются в распределительные щиты. Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс Номинальный разрядный ток 20-40 кА.

УЗИП класса III(D)

Такие устройства защиты от имупльсных перенапряжений предназначены для защиты потребителей от остаточных бросков напряжений, защиты от дифференциальных (несимметричных) перенапряжений (например, между фазой и нулевым рабочим проводником в системе TN-S), фильтрации высокочастотных помех. Устанавливаются непосредственно возле потребителя. Могут иметь самую разнообразную конструкцию (в виде розеток, сетевых вилок, отдельных модулей для установки на DIN-рейку или навесным монтажом). Нормируются импульсным током с формой волны 8/20 мкс. Номинальный разрядный ток 5-10 кА.

 Характеристики импульсов перенапряжения

 Импульсы перенапряжений в сети характеризуются формой волны и амплитудой тока. Форма импульса тока характеризуется временем его нарастания и спада — для европейских стандартов это импульсы 10/350 мкс и 8/20 мкс. В России, как это случается часто в последнее время, переняли стандарты Европы и появился ГОСТ Р 51992-2002. Числа в обозначении формы импульса означают следующее:
   — первая — время (в микросекундах) нарастания импульса тока с 10% до 90% от максимального значения тока;
   — вторая — время (в микросекундах) спада импульса тока до 50% от максимального значения тока;

  Защитные устройства делятся на классы в зависимости от мощности импульса, который они могут рассеять:
1) Класс 0 (А) — внешняя грозозащита (в данном посте не рассматриваем);
2) Класс I (B) — защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой от 25 до 100 кА формой волны 10/350 мкс (защита в вводно-распределительных щитах здания);
3) Класс II ( C) — защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой от 10 до 40 кА формой волны 8/20 мкс (защита в этажных щитах, электрощитах помещений, вводах электропитающего оборудования);
3) Класс III (D) — защита от перенапряжений, характеризующихся импульсными токами амплитудой до 10 кА формой волны 8/20 мкс (в большинстве случаев защита встроена в оборудование — если оно изготовлено в соответствии с ГОСТ); 

Приборы защиты от импульсных перенапряжений

 Основными двумя приборами УЗИП являются разрядники и варисторы различной конструкции.

Разрядник

     Разрядник — электрический прибор открытого (воздушного) или закрытого (наполненного инертными газами) типа, содержащий в простейшем случае два электрода. При превышении напряжения на электродах разрядника определенного значения, он «пробивается», тем самым ограничивая напряжение на электродах на определенном уровне. При пробое разрядника по нему протекает значительный ток (от сотен Ампер до десятков килоАмпер) за короткое время (до сотен микросекунд). После снятия импульса перенапряжения, если не была превышена мощность, которую способен рассеять разрядник — он переходит в исходное закрытое состояние до следующего импульса.

Основные характеристики разрядников:

1. Класс защиты;
2. Номинальное рабочее напряжение — длительное, рекомендованное производителем рабочее напряжение разрядника;
3. Максимальное рабочее переменное напряжение — предельное длительное напряжение разрядника, при котором он гарантированно не сработает;
4. Максимальный импульсный разрядный ток (10/350) мкс — максимальное значение амплитуды тока с формой волны (10/350) мкс, при котором разрядник не выйдет из строя и обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
5. Номинальный импульсный разрядный ток (8/20) мкс — номинальное значение амплитуды тока с формой волны (8/20) мкс, при котором разрядник обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
6. Напряжение ограничения — максимальное напряжение на электродах разрядника при его пробое из-за возникновения импульса перенапряжения;
7. Время срабатывания — время открывания разрядника (практически для всех разрядников — менее 100 нс);
8. (Редко указываемый производителями параметр). Статическое напряжение пробоя разрядника — статическое напряжение (медленно изменяемое во времени), при котором произойдет открытие разрядника. Измеряется подачей постоянного напряжения. В большинстве случаев оно на 20-30% превышает максимальное рабочее переменное напряжение, приведенное к постоянному (переменное напряжение, умноженное на корень из 2) ;

 Выбор разрядника достаточно творческий процесс с многочисленными «плевками в потолок» — ведь мы заранее не знаем значение тока, который возникнет в сети...

 При выборе разрядника можно руководствоваться следующими правилами:

1.  При установке защиты в вводных щитах от воздушной линии электропередач или в областях, где частые грозы, устанавливать разрядники с максимальным разрядным током (10/350) мкс не менее 35 кА;
2.  Выбирать максимальное длительное напряжение немного больше предполагаемого максимального сетевого напряжения (в противном случае есть вероятность что при высоком сетевом напряжении, разрядник откроется и выйдет из строя от перегрева);
3.  Выбирать разрядники с как можно меньшим напряжением ограничения (при этом обязательно выполнение правил 1 и 2). Обычно напряжение ограничения разрядников класса I от 2,5 до 5 кВ;
4. Между проводниками N и PE устанавливать разрядники, специально для этого предназначенные (производители указывают что они для подключения к N-PE проводникам). Кроме того, эти разрядники характеризуются более низкими рабочими напряжениями, обычно порядка 250 В переменного тока (между нейтралью и землей в нормальном режиме вообще напряжение отсутствует) и большим разрядным током — от 50 кА до 100 кА и выше.
5. Подключать разрядники к сети проводниками сечением не менее 10 мм² (даже если сетевые проводники имеют меньшее сечение) и как можно меньшей длины. Например, при возникновении в проводнике длиной 2 мера сечением 4 мм2 тока 40 кА, на нем упадет (в идеальном случае без учена индуктивности — а она тут играет большую роль) около 350 В. Если таким проводником подключен разрядник, то в точке подключения к сети напряжение ограничения будет равным сумме напряжения ограничения разрядника и падения напряжения на проводнике при импульсном токе (наши 350 В). Таким образом, значительно ухудшаются защитные свойства.
6. По возможности устанавливать разрядники перед вводным автоматическим выключателем и обязательно перед УЗО (при этом необходимо последовательно с разрядником установить предохранитель с характеристикой gL на ток 80-125 А, для обеспечения отключения разрядника от сети при выходе его из строя). Поскольку установить УЗИП перед вводным автоматом никто не позволит — желательно чтобы автомат был на ток не менее 80А с характеристикой срабатывания D. Это снизит вероятность ложного срабатывания автомата при срабатывании разрядника. Установка УЗИП перед УЗО обусловлена низкой стойкостью УЗО к импульсным токам, кроме того, при срабатывании разрядника N-PE, УЗО будет ложно срабатывать. Также, желательно УЗИП устанавливать перед счетчиками электроэнергии (что опять же, энергетики не позволят сделать).

Варистор

 Варистор — полупроводниковый прибор с «крутой» симметричной вольт-амперной характеристикой.

 В исходном состоянии варистор имеет высокое внутреннее сопротивление (от сотен кОм до десятков и сотен МОм). При достижении напряжения на контактах варистора определенного уровня, он резко снижает свое сопротивление и начинает проводить значительный ток, при этом напряжение на контактах варистора изменяется незначительно. Как и разрядник, варистор способен поглотить энергию импульса перенапряжения длительностью до сотен микросекунд. Но при длительном повышенном напряжении, варистор выходит из строя с выделением большого количества тепла (взрывается).

 Все варисторы в исполнении на DIN-рейку оснащены тепловой защитой, предназначенной для отключения варистора от сети при его недопустимом перегреве (при этом по локальной механической индикации можно определить, что варистор вышел из строя).

 На фото варисторы с встроенным тепловым реле после превышения рабочего напряжения разных значений. При значительном перенапряжении такая встроенная тепловая защита практически не эффективна — варисторы взрываются так, что уши закладывает. Однако, встроенная тепловая защита в варисторных модулях на DIN-рейку достаточно эффективна при любых длительных перенапряжениях, и успевает отключить варистор от сети.

Основные характеристики варисторов:

• Класс защиты (см. выше). Обычно варисторы имеют класс защиты II ( C), III (D);
• Номинальное рабочее напряжение — длительное, рекомендованное производителем рабочее напряжение варистора;
• Максимальное рабочее переменное напряжение — предельное длительное напряжение варистора, при котором он гарантированно не откроется;
• Максимальный импульсный разрядный ток (8/20) мкс — максимальное значение амплитуды тока с формой волны (8/20) мкс, при котором варистор не выйдет из строя и обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;
• Номинальный импульсный разрядный ток (8/20) мкс — номинальное значение амплитуды тока с формой волны (8/20) мкс, при котором варистор обеспечит ограничение напряжения на заданном уровне;

• Напряжение ограничения — максимальное напряжение на варисторе при его открытии из-за возникновения импульса перенапряжения;
• Время срабатывания — время открывания варистора (практически для всех варисторов — менее 25 нс);
• (Редко указываемый производителями параметр). Классификационное напряжение варистора — статическое напряжение (медленно изменяемое во времени), при котором ток утечки варистора достигает значения 1 мА. Измеряется подачей постоянного напряжения. В большинстве случаев оно на 15-20% превышает максимальное рабочее переменное напряжение, приведенное к постоянному (переменное напряжение, умноженное на корень из 2) ;
• (Очень редко указываемый производителями параметр). Допустимая погрешность параметров варистора — практически для всех варисторов ±10%. Эту погрешность следует учитывать при выборе максимального рабочего напряжения варистора.

 Выбор варисторов также как и разрядников сопряжен с трудностями, связанными с неизвестностью условий их работы.

    При выборе варисторной защиты можно руководствоваться следующими правилами:

1. Варисторы устанавливаются как вторая-третья ступень защиты от импульсных перенапряжений;
2. При использовании варисторной защиты II класса совместно с защитой I класса, необходимо учитывать разную скорость срабатывания варисторов и разрядников. Поскольку разрядники медленнее варисторов, если УЗИП не согласовать, варисторы будут принимать на себя бОльшую часть импульса перенапряжения и быстро выйдут из строя. Для согласования I и II классов грозозащиты применяются специальные согласующие дроссели (производители УЗИ имеют их ассортимент для таких случаев), либо длина кабеля между УЗИП I и II классов должна быть не менее 10 метров. Недостатком такого решение является необходимость вреза дросселей в сеть или ее удлинение, что увеличивает ее индуктивную составляющую. Единственным исключением является немецкий производитель PhoenixContact, который разработал специальные разрядники I класса с так называемым «электронным поджигом», которые «согласованы» с варисторными модулями этого же производителя. Эти комбинации УЗИП можно устанавливать без дополнительного согласования;
3. Выбирать максимальное длительное напряжение немного больше предполагаемого максимального сетевого напряжения (в противном случае есть вероятность что при высоком сетевом напряжении, варистор откроется и выйдет из строя от перегрева). Но тут нельзя перебарщивать, поскольку напряжение ограничения варистора напрямую зависит от классификационного (а следовательно, от максимального рабочего напряжения). Примером неудачного выбора максимального рабочего напряжения являются варисторные модули ИЭК с максимальным длительным напряжением 440 В. Если их устанавливать в сеть с номинальным напряжением 220 В, то работа его будет крайне неэффективна. Кроме того, следует учитывать, что варисторы имеют тенденцию к «старению» (т.е. со временем, при многих срабатываниях варистора, его классификационное напряжение начинает снижаться). Оптимальным для России будет применение варисторов длительным рабочим напряжением от 320 до 350 В;
4. Выбирать нужно с как можно меньшим напряжением ограничения (при этом обязательно выполнение правил 1 — 3). Обычно напряжение ограничения варисторов класса II для сетевого напряжения от 900 В до 2,5 кВ;
5. Не соединять параллельно варисторы для увеличения суммарной рассеиваемой мощности. Многие производители защит УЗИП (особенно класса III (D)) грешат параллельным соединением варисторов. Но, поскольку 100% одинаковых варисторов не существует (даже из одной партии они разные), всегда один из варисторов окажется самым слабым звеном и выйдет из строя при импульсе перенапряжения. При последующих же импульсах выйдут из строя цепочной остальные варисторы, поскольку они уже не будет обеспечивать требуемую мощность рассеяния (это тоже самое что соединять параллельно диоды для увеличения общего тока — так делать нельзя)
6. Подключать варисторы к сети проводниками сечением не менее 10 мм2 (даже если сетевые проводники имеют меньшее сечение) и как можно меньшей длины (рассуждения те же, что и для разрядников).
7. По возможности устанавливать варисторы перед вводным автоматическим выключателем и обязательно перед УЗО. Поскольку установить УЗИП перед вводным автоматом никто не позволит — желательно чтобы автомат был на ток не менее 50А с характеристикой срабатывания D (для варисторов II класса). Это снизит вероятность ложного срабатывания автомата при срабатывании варистора.

 Краткий обзор производителей УЗИП

    Ведущими производителями, специализирующимися на УЗИП низковольтных сетей являются: Phoenix Contact; Dehn; OBO Bettermann; CITEL; Hakel. Также у многих производителей низковольтной аппаратуры, в продукции имеются модули УЗИП (ABB, Schneider Electric и др.). Кроме того, китай успешно копирует УЗИП мировых производителей (поскольку Варистор достаточно простой прибор, китайские производители изготавливают довольно качественную продукцию — например модули TYCOTIU).

    Кроме того, на рынке довольно много готовых щитков защиты от импульсных перенапряжения, включающих в себя модули одного или двух классов защиты, а также предохранители для обеспечения безопасности, в случае выхода из строя защитных элементов. В этом случае, щиток закрепляется на стене и подключается к имеющейся электропроводке в соответствии с рекомендациями производителя.

Стоимость УЗИП разнится в зависимости от производителя в разы. 

    Как замечание по качеству, могу выделить только модули HAKEL (например PIIIMT 280 DS) — они имеют слабые контактные соединения вставок и изготовлены из горючего пластика, что запрещено ГОСТ Р 51992-2002. На данный момент HAKEL обновили ряд продукции — о ней ничего сказать не могу, т.к. не буду использовать HAKEL больше никогда.

Практика применения УЗИП

Для надежной защиты объекта от воздействия перенапряжений, в первую очередь необходимо создать эффективную систему заземления и уравнивания потенциалов. При этом нужно перейти на системы заземления TN-S или TN-CS с разделёнными нулевым и защитным проводниками.

Следующим шагом должна стать установка защитных устройств. При установке УЗИП необходимо, чтобы расстояние между соседними ступенями защиты было не менее 10 метров по кабелю электропитания. Выполнение этого требования очень важно для правильной последовательности срабатывания защитных устройств.

Если для подключения применяется воздушная линия, во входном щите на столбе лучше использовать УЗИП на основе разрядников и плавкие вставки. В главном щите здания ставятся варисторные УЗИП класса I или II, а в щитках на этажах ставятся УЗИП III класса. Если необходимо дополнительно защитить оборудование, то в розетки включаются УЗИП в виде вставок и удлинителей.

В заключении следует сказать, что все перечисленные меры, конечно, снижают вероятность поражения РЭА и людей повышенным напряжением, но не являются панацеей. Поэтому в случае грозы лучше отключать наиболее ответственные узлы, если это конечно возможно.