Предлагаем вашему вниманию вторую статью в серии публикаций об устройствах защиты от импульсных перенапряжений. Сегодня пойдет речь о:
- Зонной концепции молниезащиты.
- Требованиях к УЗИП.
- Классификации УЗИП.
- Принципе выбора параметров УЗИП.
Если вы еще не читали первую часть, то переходите по этой ссылке.
Зонная концепция молниезащиты
Зонная концепция молниезащиты является оптимальным решением с точки зрения единства подходов к обеспечению надежной молниезащиты различных объектов. Общий принцип защиты основывается на создании внутри исследуемого объекта зон, которые отличаются степенью подверженности устройств воздействию:
- напряжений и импульсных токов, возникающих в электроэнергетической сети низкого напряжения;
- напряжений и импульсных токов, возникающих в системах передачи сигналов;
- импульсного электромагнитного поля (непосредственное воздействие на оборудование и кабельные коммуникации).
В объекте, разделенном на зоны, при переходе из одной зоны в другую происходит ограничение пиковых величин перенапряжений, возникающих в системах низкого напряжения, и импульсов электромагнитного поля до уровней, допустимых в конкретной зоне. В принятых обозначениях зоны с наибольшим риском обозначены как зоны 0A и 0B. Последующие зоны обозначаются номерами 1, 2, ... . Чем выше номер зоны, тем ниже значения допустимых уровней импульсных перенапряжений и помех.
Концепция зонирования применима к любому объекту, который рассматривается с точки зрения выполнения молниезащиты (подробнее можете узнать из СО-153-34.21.122-2003 — который вы можете скачать вот здесь а остальные документы по этой теме, упомянутые в предыдущей части статьи — вот здесь).
- Зона 0А: Зона внешней среды объекта, все точки которой могут подвергаться воздействию прямого удара молнии (иметь непосредственный контакт с каналом молнии) и возникающего при этом электромагнитного поля.
- Зона 0В: Зона внешней среды объекта, точки которой не подвергаются воздействию прямого удара молнии (ПУМ), так как находятся в пространстве, защищенном системой внешней молниезащиты. Однако в данной зоне имеется воздействие неослабленного электромагнитного поля.
- Зона 1: Внутренняя зона объекта, точки которой не подвергаются воздействию прямого удара молнии. В этой зоне токи во всех токопроводящих частях имеют значительно меньшее значение по сравнению с зонами 0А и 0В. Электромагнитное поле также снижено за счет экранирующих свойств конструкций. Это зона, ограниченная каким-либо экраном, чаще всего – строительными конструкциями (стенами) здания, где возможны только токи от индуктированных перенапряжений или наводимые от токов, протекающих от удара молнии в системе молниеприемник-токоотвод- заземление».
- Последующие зоны (Зона 2, и т.д.). Количество зон может быть любым. Теоретически, каждое помещение в здании может рассматриваться с точки зрения отдельной зоны молниезащиты. На границе каждой зоны должна быть сделана система уравнивания потенциалов и ограничено перенапряжение с помощью устройств защиты.
Если требуется дальнейшее ограничение импульсного перенапряжения или электромагнитного поля в местах размещения чувствительного оборудования, то необходимо предусмотреть последующие зоны защиты. Допустимые значения воздействующих параметров для последующих зон определяются требованиями по ограничению внешних воздействий, влияющих на защищаемую систему.
Существует общее правило, по которому с увеличением номера защитной зоны уменьшается влияние электромагнитного поля и импульсов тока. На границах раздела отдельных зон необходимо обеспечить присоединение к системе уравнивания потенциалов всех металлических элементов конструкции, экранных оболочек, кабельных лотков и т.п.
Разделение объекта на условные зоны позволяет на практике эффективно решать вопросы защиты сетей электропитания до 1000 В, линий связи, передачи данных, компьютерных сетей и других коммуникаций, входящих в объект, с помощью применения устройств защиты от импульсных перенапряжений.
Требования к УЗИП
Основное требование к УЗИП – ограничение напряжения на входе защищаемого аппарата или в электрической цепи до безопасного уровня с нужным быстродействием (соизмеримым со скоростью нарастания грозового импульса перенапряжения, т.е. не ниже 100 нс).
Другие требования к устройствам защиты формулируются следующим образом:
- функциональная совместимость с защищаемым оборудованием;
- восстановление электрической цепи после затухания перенапряжения, в т.ч. при наличии сопровождающего тока;
- рассеивание без повреждения энергии, выделяющейся при протекании через УЗИП тока;
- достаточные ресурс и надежность (наибольшей надежностью обладают УЗИП на основе искровых разрядников).
Классификация УЗИП
По принципу действия УЗИП делятся на коммутирующие, ограничивающие и комбинированные. Все устройства имеют высокое полное сопротивление при отсутствии импульсных воздействий и быстро снижают его при нарастании импульса напряжения, отводя часть полного тока молнии в землю.
- УЗИП коммутирующего типа эффективно срезают перенапряжение, обеспечивая гальваническую развязку (рис. 2). Примерами таких устройств являются искровые разрядники, газоразрядные трубки, тиристоры. При воздействии напряжения ниже уровня срабатывания через такой УЗИП не протекает ток утечки.
- УЗИП ограничивающего типа эффективно ограничивают напряжение (рис. 3). Примерами компонентов, используемых в качестве нелинейных устройств, являются варисторы и диоды. При отсутствии перенапряжений через такой УЗИП протекает малый ток утечки.
- УЗИП комбинированного типа содержит элементы как коммутирующего типа, так и ограничивающего напряжение типа, которые могут коммутировать и ограничивать напряжение или могут выполнять обе функции в зависимости от приложенного напряжения (рис. 4).
Классификация УЗИП подразумевает их деление на три группы в зависимости от классов испытаний, которым они подвергаются. Обычно термин «класс испытаний УЗИП» заменяется в технической документации и каталогах сокращенным термином «класс УЗИП». Перечень классов УЗИП приведен ниже:
- УЗИП I класса предназначены для защиты от последствий прямых ударов молнии в систему молниезащиты объекта. Соответственно, устанавливаются там, где возможен прямой удар молнии в сеть (зона 0А) или там, где объекты находятся в непосредственной близости от молниеотвода (зона 0В). Нормируются пиковым значением импульсного тока Ipeak, зарядом Q и удельной энергией W/R. Как возможные эквивалентные импульсы для испытаний рекомендуются: импульсный ток Iimp с формой волны 10/350 мкс, номинальный разрядный ток In с формой волны 8/20 мкс и импульс напряжения с формой волны 1,2/50 мкс. Другими словами, УЗИП I класса может выдерживать длительное протекание большого по амплитуде импульса тока молнии.
- УЗИП класса II предназначены для защиты сети электроснабжения объекта от индуктированных или коммутационных помех или как 2-я ступень защиты при ударе молнии. Устанавливаются в распределительных щитах (зона 1). Нормируются и испытываются номинальным разрядным током In, максимальным разрядным током Imax с формой волны 8/20 мкс и импульсом напряжения с формой волны 1,2/50 мкс;
- УЗИП класса III предназначены для защиты потребителей от остаточных перенапряжений после срабатывания УЗИП первой и второй ступеней защиты, от наводок во внутренней информационно-распределительной сети объекта. Устанавливаются непосредственно возле портов аппаратуры (зоны 2 и выше). Нормируются и испытываются комбинированной волной напряжения 1,2/50 мкс и тока ISC с типичной формой волны 8/20 мкс.
На рис. 5 показана форма волны импульсного тока молнии 10/350 мкс, моделирующая прямой удар молнии в защищаемую сеть (или в непосредственной близости от нее) при испытаниях УЗИП класса I. Для испытаний УЗИП класса II, защищающего удаленную от источника перенапряжений сеть, нормируется импульс тока молнии с формой волны 8/20 мкс.
Принципы выбора параметров УЗИП
При выборе УЗИП с любыми рабочими элементами (варисторами, искровыми разрядниками, диодами) должны учитываться:
- параметры сети (напряжение, номинальный ток, параметры передачи данных, тип системы заземления);
- защитный эффект (пропускная способность и уровень напряжения защиты УЗИП);
- факторы, влияющие на установку (конструкция, условия подключения).
Принцип защиты цепей электропитания опирается на установку УЗИП в соответствии с зонной концепцией, при этом при выборе класса УЗИП принципиальное значение имеет достоверная оценка его токовой нагрузки.
Система защиты контрольно-измерительных линий базируется на типе защищаемого сигнала.
Выбор УЗИП начинается с определения параметров электрической сети, для которой он предназначен. Низковольтная сеть 380/220 В по номинальному выдерживаемому напряжению подразделяется на 4 категории (с I по IV) с нормированными значениями: 1,5; 2,5; 4,0 и 6,0 кВ соответственно. Классам УЗИП, соответственно, отвечают уровни защиты:
- УЗИП класс I – ≤4 кВ;
- УЗИП класс II – 1,3 … 2,5 кВ;
- УЗИП класс III – 0,8 … 1,5 кВ.
Уровень защиты выбранного УЗИП не должен превышать выдерживаемое напряжение электрической сети.
Кроме того, УЗИП характеризуется следующими параметрами:
Un – номинальное напряжение сети;
Uc – максимальное длительное рабочее напряжение (действующее напряжение сети, при котором УЗИП длительно сохраняет работоспособность);
Iimp – амплитуда импульсного тока 10/350 мкс, который УЗИП пропускает без повреждения хотя бы один раз (для УЗИП I класса);
Imax – амплитуда импульса 8/20 мкс, который УЗИП пропускает без повреждения хотя бы один раз (для УЗИП II класса);
In – номинальный разрядный ток – амплитуда импульса тока 8/20 мкс, протекающего через УЗИП; этот ток УЗИП выдерживает многократно, при этом токе определяется уровень защиты УЗИП на базе варисторов;
Up – уровень напряжения защиты – характеризует УЗИП в части ограничения напряжения на его выводах при протекании через него тока In;
If – допустимый сопровождающий ток (для УЗИП на базе разрядника);
ta – время срабатывания УЗИП.
Источник: Каталог 2019 «Защита от молниевых перенапряжений» — АО «НПО «Стример».
