Для нормальной работы любого защитного устройства прежде всего требуется правильно его установить. Это утверждение в полной мере относится к устройству защиты от импульсных перенапряжений. Ведь в противном случае надёжной работы от него не жди, даже если купить самую дорогую модель.
Почему так важны правильный выбор, установка и подключение? Как может появиться перенапряжение в сети? В этой статье мы разберёмся с этими вопросами и постараемся дать развёрнутый ответ.
Как появляются перенапряжения?
Во-первых, это атмосферные перенапряжения — молния, которая обладает огромной разрушительной силой. При ударе молнии, даже в километре от здания, в его электропроводке могут возникнуть перенапряжения, достигающие нескольких десятков тысяч вольт. Такие скачки напряжения характеризуются очень небольшим временем, продолжительностью менее микросекунды, говоря другими словами, это сверхбыстрые процессы.
Во-вторых, это «человеческий фактор». К сожалению, ситуации, когда горе-автомобилисты сбивают железобетонные опоры ЛЭП в разных населённых пунктах, происходят с завидным постоянством. При этом угроза появления перенапряжений возрастает, если на опоре ЛЭП есть совместная подвеска, к примеру, провода ВЛ 10 кВ расположены рядом с проводами ВЛ 0,4 кВ.
Также вполне возможно, что, ремонтируя линию электропередач, работники могут перепутать и подключить на однофазный ввод две фазы. В результате такой ошибки на электроприборы в доме или квартире будет подано 380 В со всеми вытекающими, как говорится, последствиями.
Кроме того, сами потребители могут стать причиной перенапряжений. К примеру, просто включая мощные электродвигатели или самодельный сварочный аппарат, они могут стать серьёзной угрозой для электроприборов как у себя, так и у соседей.
Фундамент безопасности – правильное заземление
Именно от качества заземления в итоге зависит то, как будут распределяться токи, возникающие при ударе молнии, при появлении аварийных ситуаций или при резких перепадах напряжения. Правильно организованная система заземления может значительно уменьшить риски, поэтому схема должна соответствовать типу сети.
Разумеется, что универсального решения просто не существует и разработчикам постоянно приходится искать компромиссы. Рассмотрим, какие достоинства и недостатки имеются у основных схем.
Системы заземления
Сначала разберём расшифровку основных типов заземления систем.
- TN-S. Здесь буква T, указывает, что нейтраль источника питания заземлена, буква N указывает, что открытые проводящие части (ОПЧ) присоединены к нейтрали, а буква S говорит об отдельных проводниках N и PE.
- TN-C. Первые две буквы здесь аналогичны предыдущим, а буква C, говорит о том, что проводники N и PE объединены в один PEN-проводник.
- TN-C-S. В этом обозначении две первых буквы нам уже известны, а сочетание букв C-S -говорит, что функции N и PE объединены в одном PEN проводнике (обычно идёт от источника до ГРЩ или ВРУ здания), а далее происходит разделение на отдельные проводники N и PE.
- TT. Первая буква T указывает на заземлённую нейтраль источника, а вторая буква T указывает, что ОПЧ имеют собственный заземлитель.
- IT. Буква I указывает на изолированную нейтраль источника питания, а буква T также указывает, что ОПЧ подключены к собственному заземляющему устройству.
Особенности
Теперь рассмотрим ключевые моменты этих систем.
Первый элемент относится к безопасности. При правильном исполнении системы TN-C-S, TN-S, TT, IT обеспечивают безопасность. Причём TN-S считается более безопасной, так при появлении утечки, ток будет проходить через PE-проводник, а N-проводник для этого задействован не будет.
TN-C считается менее безопасной из-за применения PEN-проводника, ведь произойдёт его обрыв, то на корпусах электроприборов появится напряжение. Также помехи в сети, например, при работе сварочного аппарата могут мешать работе других электроприёмников. Кроме того, такая система создаёт сложности для работы УЗИП, так как все импульсы будут идти через PEN-проводник, увеличивая опасность пробоя.
В России (ПУЭ пункт 7.1.13) запрещено применение TN-C для стационарных установок в жилых и общественных зданиях, торговых предприятий, медицинских учреждений (то есть там, где есть люди).
Компромисс между экономией и надёжностью — это система TN-C-S. Здесь требуется меньше материалов, чем в системе TN-S, но зато безопасность выше, чем у системы TN-C. Однако при разрыве PEN-проводника до точки разделения, корпуса электроприёмников всё равно окажутся под напряжением. Поэтому для нормальной работы системы TN-C-S требуется выполнить качественное заземление на вводе.
Второй ключевой момент — это необходимость установки УЗО (устройство защитного отключения). При типе заземления системы TT и IT (а также в TN для отдельных групп) обязательна установка УЗО для защиты от косвенного прикосновения, так как токи КЗ в этих системах могут быть малы для срабатывания автоматических выключателей.
Третий ключевой момент — сопротивление заземлителя. Для типа заземления TT крайне важно иметь очень низкое сопротивление собственного заземлителя, чтобы напряжение прикосновения при замыкании на корпус не превышало безопасного значения.
Понимание этих обозначений и принципов работы систем заземления критически важно для проектирования, монтажа и безопасной эксплуатации электроустановок.
Влияние системы заземления на работу УЗИП
Как говорилось ранее, система заземления существенно влияет на выбор, схему подключения и эффективность УЗИП. Рассмотрим основные аспекты этого явления.
Сначала разберём влияние пути стекания тока на работу устройства защиты. УЗИП работает по принципу шунтирования опасного импульсного тока (например, от удара молнии или коммутации) на землю. Качество и конфигурация этого пути напрямую зависят от системы заземления.
В системе TN-S, где есть отдельный, качественный PE-проводник по всей цепи, обеспечивается оптимальный путь для стекания тока УЗИП. Это самая предпочтительная система для эффективной работы УЗИП.
В системе TN-C-S путь стекания зависит от точки разделения PEN. Если УЗИП установлен до точки разделения (где есть только PEN), то путь включает PEN-проводник. Это хуже, чем отдельный PE в TN-S, так как PEN несёт рабочий ток. После точки разделения (где есть N и PE) ситуация аналогична TN-S.
Для системы TT путь стекания тока УЗИП идёт через локальный контур заземления здания (PE). Этот контур не связан напрямую с заземлением нейтрали источника. Критически важно, чтобы сопротивление этого локального заземления было очень низким, иначе при срабатывании УЗИП на защищаемом оборудовании возникнет опасное напряжение относительно «далёкой земли».
Система IT в этом плане похожа на систему TT, где ток стекает через локальный контур заземления (PE). Но из-за изолированной нейтрали особое внимание уделяется уравниванию потенциалов всех заземлённых частей в пределах установки, чтобы избежать опасных напряжений прикосновения во время импульса.
Кроме этого, важен не только путь стекания тока, но и качество заземления. Так, для систем TT и IT максимально низкое сопротивление локального контура заземления (PE) абсолютно критично! Высокое сопротивление приведёт к большому падению напряжения на нём при стекании тока УЗИП, что создаст опасное напряжение прикосновения на корпусах оборудования и может повредить само оборудование.
В системах TN-S и TN-C-S сопротивление общего заземления нейтрали источника (на подстанции) также важно, но путь тока УЗИП частично проходит по PE-проводнику, имеющему меньшее сопротивление, чем контур земли. Поэтому качество контура на вводе в здание очень важно.
Чем ниже качество заземления, тем мощнее должны быть УЗИП.
Классы
Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) классифицируются на три класса (B/C/D или I/II/III), каждый из которых предназначен для нейтрализации разных типов угроз и устанавливается на конкретных участках сети. Их совместная работа создаёт многоуровневую защиту. Рассмотрим, как классы влияют на работу системы.
УЗИП Класса 1 (B / Тип 1)
Устанавливаются на вводе в здание в ГРЩ или ВРУ. Такое защитное устройство выдерживает сверхвысокие токи до 100 кА и испытывается импульсом 10/350 мкс (длительный и энергоёмкий разряд). Принимает основной удар, преобразуя опасный импульс в безопасный ток, отводимый в землю. Без него оборудование может быть уничтожено даже при наличии УЗИП других классов.
УЗИП Класса 2 (C / Тип 2)
Служит для защиты от остаточных импульсов после УЗИП-1, коммутационных перенапряжений (включение или отключение двигателей, сварочных аппаратов) и удалённых грозовых разрядов. Устанавливается в этажных или квартирных распределительных щитах. Рассчитано на рабочий ток до 40 кА, испытывается импульсом 8/20 мкс (который менее энергоёмкий, чем импульс 10/350). Дополняет защиту УЗИП-1, гася остаточные скачки. Например, спасает технику при включении соседского насоса или сбое на подстанции.
УЗИП Класса 3 (D / Тип 3)
Устройства этого класса предназначены для фильтрации высокочастотных помех и остаточных импульсов, пропущенных УЗИП-1/2. Рассчитаны на низкий ток разряда (до 10 кА), а также на сверхбыстрое срабатывание (25 нс). Защищает от мелких помех (например, при одновременном включении чайника и микроволновки). Без него электроника может выйти из строя из-за накопленных искажений. Устанавливается в розетках, сетевых фильтрах, рядом с чувствительной техникой (ПК, серверы, медоборудование.
Рассмотрим пример каскадной защиты. Представьте грозу, при которой молния ударяет в участок ЛЭП рядом с домом.
УЗИП-1 на вводе принимает основной удар (например, 50 кА), снижая напряжение с 100 кВ до 4 кВ. УЗИП-2 в щитке гасит остаток до 2,5 кВ. УЗИП-3 в розетке доводит скачок до безопасных 1,5 кВ, сохраняя исправным телевизор или компьютер.
Без каскада УЗИП-2 и УЗИП-3 не справятся с прямым ударом, а УЗИП-1 пропустит остаточные помехи к приборам.
Кратко об устройстве УЗИП
УЗИП напоминает «умный предохранитель», который не просто отключает питание, а поглощает и отводит опасные импульсы в землю. Конструкция зависит от класса и типа, но ключевые элементы универсальны. Разберём на примере наиболее распространённого варисторного УЗИП класса 2.
Основным компонентом устройства является варистор или нелинейный резистор, который изготовлен из оксида цинка (ZnO) с добавками висмута, кобальта.
Рассмотрим принцип работы УЗИП. При нормальном напряжении (220 В) варистор — изолятор (сопротивление примерно 1 МОм). При скачке напряжения (например, 2000 В) варистор резко меняет свойства, превращаясь в проводник (сопротивление падает до долей Ома). В результате импульсный ток уходит через варистор в заземление, а не в проводку.
В некоторых моделях может быть установлен ещё и искровой разрядник. Его задача — дублировать варистор при экстремальных токах (прямой удар молнии). В этом случае при перенапряжении между электродами возникает дуга, замыкающая цепь на землю.
Также в некторых УЗИП устанавливают плавкую вставку или терморасцепитель. Они отключают варистор при перегреве (например, после многократных срабатываний), тем самым предотвращая возгорание УЗИП при выходе из строя.
Для индикации износа в некоторых моделях может присутствовать светодиод (зелёный/красный) или механический флажок. Красный сигнал говорит, что варистор неработоспособен (требует замены).
Защита от перенапряжений на линиях электропередач и на подстанциях
Говоря о перенапряжениях, нельзя не упомянуть про ЛЭП и подстанции. Ведь там тоже очень важно обеспечить защиту, и для этого применяются разрядники и ограничители перенапряжений (ОПН). Хотя оба типа аппаратов выполняют похожие функции, их принципы работы, конструкция и сферы применения различаются.
Разрядники работают за счёт искровых промежутков и иногда нелинейных резисторов (вилит, тервит). При перенапряжении в воздушном промежутке возникает электрическая дуга, которая шунтирует опасный импульс на землю. После этого дуга гасится при переходе тока через ноль. Энергия рассеивается в окружающем пространстве. Для гашения дуги используются камеры с газом или магнитные системы.
ОПН основаны на варисторах из оксида цинка (ZnO), которые резко снижают сопротивление при скачке напряжения. Импульсный ток проходит через варистор, преобразуя энергию в тепло. Искровые промежутки отсутствуют.
Разрядники применяют на ЛЭП 6–110 кВ для защиты от индуцированных перенапряжений и прямых ударов молнии. Также разрядники применяют на подстанцииях, хотя устаревшие типы, такие как РВО/РВС постепенно заменяются ОПН.
Ограничители перенапряжений также устанавливаются на трансформаторах и на ЛЭП, например, ОПН-0,4 кВ на КТП.
Как выбрать УЗИП?
Выбор должен быть основан на параметрах сети, рисках перенапряжений и типе защищаемого оборудования. Рассмотрим главные критерии, от которых зависит выбор.
Во-первых, нужно учитывать класс защиты. Как уже говорилось выше, этот параметр определяет уровень устойчивости к импульсам и место установки:
- Тип 1 (I класс) предназначен для защиты от прямых ударов молнии. Устанавливается на вводе в здание (ГРЩ) и обязателен для домов с воздушным вводом или молниеотводом.
- Тип 2 (II класс) защищает от наведённых перенапряжений и коммутационных скачков. Место установки – распределительные щиты этажей/квартир.
- Тип 3 (III класс) требуется для финальной защиты чувствительной техники. Устанавливается в розетках и сетевых фильтрах.
Во-вторых, следует учесть такие критические параметры, как напряжение защиты (Up). Это максимальное напряжение, которое "пропустит" УЗИП после срабатывания. Чем ниже Up, тем лучше.
Также важно учесть номинальный ток разряда (In), то есть такой ток, который устройство выдержит многократно (для класса II — 20–40 кА), максимальный ток разряда (Imax) – предельный единоразовый ток (для класса I — до 100 кА) и время срабатывания (класс I: <100 нс, класс III: <1 нс).
В-третьих, важно предусмотреть совместимость с системой заземления. Например, для системы TN-S подходят любые УЗИП, а для системы TN-C требуются модели с защитой PEN-проводника и Imax ≥40 кА.
В-четвёртых, важно учесть количество фаз и сечение проводников. Например, для однофазной системы нужны 2-полюсные УЗИП (фаза + ноль), а для трёхфазной – 4-полюсные устройства защиты. Сечение проводников также важно, ведь если длина проводов от УЗИП до заземления будет более 0,5 м, то при появлении перенапряжения индуктивность провода добавит до 2 кВ к импульсу.
Ошибки при выборе
Рассмотрим распространённые ошибки, которые могут обнулить всю защиту.
- Игнорирование расстояния между классами. Между УЗИП I и II класса должно быть ≥10 м кабеля, иначе устройства перегружаются.
- Экономия на токовых параметрах. Дешёвые УЗИП с не спасут от молнии — нужен запас по току.
- Отсутствие индикации. Без указателя (зелёный/красный) невозможно отследить износ варисторов.
- Установка УЗИП без проверки заземления. Сопротивление контура >30 Ом? УЗИП бесполезен! Для домов нормой считается ≤4 Ом.
- Установка УЗИП без плавких предохранителей. Если УЗИП выйдет из строя, то предохранитель защитит дом или квартиру от пожара.
- Установка УЗИП без защиты от влаги в сырых помещениях и т. п. В таком случае контакты защитного устройства будут быстро окисляться.
Простой алгоритм выбора
Шаг №1. Оцените риски.
- Есть молниеотвод или воздушный ввод? → Тип 1.
- Чувствительная техника? → Тип 3.
Шаг №2. Проверьте сеть, наличие заземления (TT, TN-S?), ток КЗ, длину проводников.
Шаг №3. Рассчитайте токи.
Шаг №4. Выберите параметры. Up ≤1,5 кВ для техники, In ≥20 кА для квартир.
Шаг №5. Добавьте страховку – предохранитель для УЗИП на 16–25 А для предотвращения пожара при пробое. Некоторые специалисты советуют устанавливать автоматические выключатели, но в нужный момент контакты в автомате могут пригореть, так что плавкий предохранитель оказывается более надёжным.
Заключение
Воздействие перенапряжения всегда неожиданно, а последствия фатальны. Для обеспечения надёжной защиты нужно учесть тип сети, вид электрообрудования, и риски. Понятно, что даже самая незначительная ошибка может свести на нет все старания.
Автор статьи — Илья Корчагин