Сегодня мы снова поговорим об устройствах защиты от импульсных перенапряжений. В заметке мы рассмотрим два важных вопроса:
- Принцип выбора схемы подключения.
- Многоступенчатая схема защиты.
Предыдущие публикации на эту темы вы можете прочитать по ссылками ниже:
УЗИП часть 1: определение, нормативные документы.
УЗИП часть 2: зонная концепция, классификация, принцип выбора
Принцип выбора схемы подключения УЗИП
Для объектов, защищенных от прямого удара молнии, распространение помех может происходить по двум каналам: через заземляющее устройство (кондуктивный) и через электромагнитное поле (полевой, индуктивный).
Кондуктивные помехи в цепях, имеющих более одного проводника, делят на помехи «провод-земля» (несимметричные, синфазные, поперечные) и «провод-провод» (симметричные, противофазные, продольные). В первом случае («провод-земля») напряжение помехи приложено между каждым из проводников цепи и землей (рис. 1, а), во втором – между различными проводниками одной цепи (рис. 1, б).
Следует отметить, что воздействие перенапряжений, связанных с протеканием токов по заземляющему устройству, чаще проявляется повреждениями изоляции КЛ, а для индуктированных перенапряжений характерны повреждения оконечного оборудования, удаленного от источников помех. В первую очередь защите подлежит изоляция оборудования, поскольку изоляция кабельных линий имеет гораздо большую прочность.
Преобладающее влияние той или иной помехи, зависящее от параметров сети, удаления источника перенапряжения от защищаемого объекта (по сути – зоны молниезащиты) определяет выбор схемы подключения УЗИП в электроустановке.
Другими словами, если рассматривать систему TN-S, в которой проводники PE и N разделены, а N однократно заземлен, то наиболее эффективная схема защиты определяется в зависимости от взаимного расположения источника перенапряжений и места заземления нейтрального проводника (влияет на симметрию цепи).
Две возможные схемы включения УЗИП для системы TN-S показаны на рисунке 2 (а и б). Схема (а) предназначена, в первую очередь, для защиты от противофазных перенапряжений «провод-провод», схема (б) – от синфазных перенапряжений «провод-земля».
Если волна индуктированного перенапряжения по пути к защищаемому оборудованию проходит через точку разделения и заземления PEN-проводника, то на рассматриваемом конце КЛ, около аппаратуры, возникает разность потенциалов между нулевым и фазными проводами (рис.3). В этом случае эффективно подключение УЗИП по схеме «3+1» (рис. 2 а).
Если же точка заземления нулевого провода выполнена на удалении от источника перенапряжений и защищаемого оборудования, то фазные и нулевой проводники будут в одинаковых, симметричных, условиях относительно земли.
В этом случае эффективно подключение УЗИП по схеме «4+0». Пример установки УЗИП по схеме «4+0» показан на (рис. 2 б).
На практике схему подключения УЗИП «3+1» целесообразнее применять в экранированных зданиях, где основным источником перенапряжений является электрическая сеть, где есть ввод воздушной линии. При преобладающем распространении помех кондуктивным путем, т.е. распространении тока молнии по ЗУ и коммуникациям, эффективнее будет работать схема «4+0».
Многоступенчатая схема защиты
УЗИП класса I, пропуская значительный ток молнии, обладает достаточно высоким уровнем защиты (до 4 кВ), опасным для аппаратуры. Для большего ограничения напряжения требуется установка последующих ступеней защиты – УЗИП класса II и III. Поочередное включение нескольких УЗИП в электрическую цепь должно гарантировать их селективную (скоординированную) работу.
На рис. 4 рассматривается пример каскадной схемы защиты цепи электроснабжения постоянным током 24 В. Эта схема обеспечивает очень большую скорость действия диода со способностью отведения очень больших ударных токов через разрядник и варистор, которые характеризуются, однако, более высокими уровнями ограничения по напряжению и медленным срабатыванием.
С целью правильной координации защитных параметров диод и варистор разделены специальным элементом L2 (в данном случае – индуктивность). Благодаря этому, когда в процессе ограничения перенапряжения диодом потечет ударный ток, то на зажимах варистора появится напряжение:
где: di/dt – скорость нарастания импульсного тока (тока перенапряжения).
Подбирая надлежащим образом значение индуктивности L2, можно управлять напряжением на варисторе, чтобы он включился в процесс ограничения перенапряжений до того момента как диод подвергнется повреждению.
Аналогичная ситуация имеет место в каскаде разрядник – варистор. Элемент L1 подбирается таким образом, чтобы относительно медленно включающийся разрядник стал действовать прежде, чем будут превышены критические параметры варистора.
В сети электроснабжения в качестве согласующего (развязывающего) элемента используется либо катушка индуктивности (дроссель), либо провода (провода электроснабжения главной распределительной сети, местной распределительной сети или провода между местной сетью и конечным прибором).
В информационно-измерительной сети в качестве такого элемента применяются активные сопротивления порядка 10 Ом.
Катушки индуктивности применяются достаточно редко, т.к. для пропускания длительно большого тока они должны иметь большое сечение провода. При выборе катушки также нужно иметь в виду, что при слишком большой индуктивности значительное падение напряжения на развязывающей катушке приведет к повторным срабатываниям разрядника. Катушка, включенная как показано на рис. 5 а), должна иметь индуктивность порядка 7–15 мкГн. Для развязки следует использовать только воздушные катушки.
В большинстве случаев в качестве развязывающих элементов используются провода. Их длина должны быть такой, чтобы в нормальном режиме ожидаемая крутизна тока di/dt обеспечивала достаточное падение напряжения. Расчеты и эксперименты показали, что между УЗИП каждой ступени длина проводов должна составить примерно 10–15 м (рис. 5 б), а третья ступень, если она требуется, должна располагаться непосредственно около защищаемого аппарата.
Следует отметить, что в современных комбинированных УЗИП I+II или II+III могут использоваться встроенные дроссели, или применяться управляемые элементы («поджиг») для скоординированной работы разрядного элемента. Однако такие решения усложняют конструкцию УЗИП и приводят к удорожанию устройства.
Источник: Каталог 2019 «Защита от молниевых перенапряжений» — АО «НПО «Стример».
УЗИП часть 4: Применение предохранителей и автоматических выключателей в сети с УЗИП
