Защита сетевого входа питания ~220 В от помех и импульсов перенапряжения

26 ноября 2025

Михаил Варакин (г. Ишим)

Как выбрать компоненты и схему для защиты от сетевых перенапряжений и помех разного рода (грозовые разряды, коммутационные процессы, аварийные ситуации, электромагнитные помехи)? Краткий справочник по схемотехническим решениям предлагают разработчики производителя компонентов для защиты цепей – компании Bencent.

Импульсные перенапряжения (кратковременные резкие повышения или понижения электрического напряжения в сети) и помехи вызваны различными факторами:

• Грозовые разряды – удары молний в линии электропередач или рядом с ними – вызывают сильные импульсы напряжения, которые распространяются по сети. От подобных разрядов часто образуется индуцированное или наведенное напряжение – наводки, которые могут внезапно появиться на проводниках рядом с местом удара молнии из-за всплеска магнитного и электростатического поля.
• Коммутационные процессы в сети. Например, включение и отключение мощного оборудования (на предприятиях – запуск или остановка крупных электрических двигателей и генераторов) приводит к резким изменениям нагрузки и скачкам напряжения.
• Аварийные ситуации. Короткие замыкания и обрывы линий – повреждения в электросети, вызванные авариями или износом оборудования – приводят к нестабильности напряжения.
• Электромагнитные помехи. Индуктивные и емкостные наводки: близкое расположение силовых кабелей к другим линиям связи или электрическим устройствам может вызвать импульсы напряжения из-за электромагнитного влияния.

Последствия импульсных перенапряжений и помех могут быть разными: от сбоев работы техники и электроники до пожаров, разрушения инфраструктуры и человеческих жертв.

Для предотвращения последствий перенапряжений и помех необходимы специальные меры защиты и противодействия. Для ориентирования при выборе таких методов и применяемого оборудования желательно ознакомиться с уровнями зон защиты от молнии LPZ (Lightning Protection Zones) – это условное пространство, в котором находятся системы, подлежащие защите. Концепция LPZ основана на идее постепенного снижения энергии молнии до безопасного уровня, неспособного повредить оконечное устройство. Международные стандарты определяют различные зоны защиты от молнии (таблица 1), которые обозначаются аббревиатурой LPZ с соответствующим номером:

• LPZ 0A – внешняя зона, где возможно прямое попадание молнии, и где оборудование подвергается максимальному влиянию наведенного молнией электромагнитного поля.
• LPZ 0B – внешняя зона, расположенная за устройством защиты от молнии, но подверженная влиянию наведенного молнией электромагнитного поля.
• LPZ 1 – зона внутри здания. Электромагнитное поле уменьшенное и зависит от степени экранирования. Эта зона находится под контролем устройств защиты от импульсных помех (УЗИП) Тип 1 совместно с устройствами защиты в зонах LPZ 0A или 0B.
• LPZ 2 – зона, например комната, где скачки тока от молнии ограничиваются устройствами защиты. Эту зону надлежит защищать устройствами УЗИП Тип 2 совместно с устройствами защиты в зоне LPZ 1.
• LPZ 3 – зона внутри помещения, электрооборудование которой особо защищается от бросков напряжения. Эта зона оснащается устройствами УЗИП Тип 3, которые работают совместно с устройствами защиты в зоне LPZ 2.

Таблица 1.Типовые зоны защиты от молнии (LPZ), категории защиты и устройства УЗИП

Реализация концепции зонной защиты осуществляется установкой на границе зон соответствующих устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Они снижают величину импульса перенапряжения до приемлемой для находящегося в данной зоне электрооборудования. Так как следующая зона находится внутри предыдущей, УЗИП образуют каскад, при помощи которого импульсное перенапряжение снижается ступенчато на границах зон.

Практическая реализация такой защиты на уровне компонентой базы (варисторы, газоразрядники, модули УЗИП) подробно представлена в каталоге компании BENCENT — крупного азиатского производителя защитных компонентов.

Рассмотрим действия по выбору и вводу в эксплуатацию средств защиты, состоящие из анализа условий эксплуатации, выбора стандартов тестирования, выбора оборудования (порты, входная сеть и т.д.), выбора компонентов для построения защиты и, если нужно, тестирования их. Для начала обратите внимание на рисунки 1 и 2.

Рис. 1. Пример зонирования защищаемых участков в зависимости от уровня воздействия перенапряжений

Рис. 2. Условные обозначения зонирования

Далее рассмотрим стандарты Международной электротехнической комиссии (IEC), регламентирующие перенапряжения и помехи разного уровня мощности.

IEC-61000-4-2 ESD (Электростатический разряд) – стандарт Международной электротехнической комиссии, который распространяется на электрические и электронные изделия и устанавливает требования  на устойчивость к электростатическим разрядам (ESD). То есть, после проведения испытаний изделия устанавливается степень жесткости испытания и значение испытательного напряжения. Испытательное напряжение, в свою очередь, заносится в технический паспорт изделия.

IEC 61000-4-4 EFT (Коммутационные наносекундные помехи) – стандарт Международной электротехнической комиссии (IEC), устанавливающий требования устойчивости электрического и электронного оборудования к электрическим быстрым переходным процессам (пачкам) (EFT) на портах питания, сигналов, управления и заземления. Результаты испытаний изделия классифицируют с точки зрения прекращения выполнения функции или ухудшения качества функционирования оборудования в сравнении с уровнем качества, определенным его изготовителем, заказчиком испытания или соглашением между изготовителем и покупателем продукции.

IEC 61000-4-5 SURGE (Мощные микросекундные помехи) – международный стандарт Международной электротехнической комиссии (IEC), который устанавливает требования к устойчивости оборудования к импульсным перенапряжениям (Surge) с учетом однополярных выбросов напряжения, вызванных перенапряжениями от переходных процессов в результате коммутации или разрядов молнии. В данном стандарте установлено несколько испытательных уровней, относящихся к различным условиям окружающей обстановки и размещения устройств.

В рассмотренных выше стандартах используются определенные типовые формы импульсов перенапряжения и токов короткого замыкания, которые применяются при испытаниях электротехнического оборудования и характеризуются временем нарастания фронта и временем спада до половины амплитудного значения (таблица 2). Они введены для стандартизации испытаний и обеспечения совместимости защитных устройств. Выделяют формы, вызванные грозовыми разрядами, и коммутационные.

Грозовые:

• Импульс 10/350 мкс, 10/700 мкс (для испытания телекоммуникационных систем) – используется для имитации прямого удара молнии. Первое число (10) означает время нарастания фронта импульса в микросекундах, второе число (350, 700) – время спада до половины амплитудного значения. Этот импульс содержит значительную энергию и применяется для испытания устройств защиты от импульсного перенапряжения (УЗИП) класса I.
• Импульс 8/20 мкс – используется для имитации косвенного воздействия молнии и коммутационных перенапряжений. Применяется для испытания УЗИП класса II и III.
• Импульс 1,2/50 мкс – стандартный импульс напряжения, используемый для испытания изоляции электрооборудования.

Коммутационные:

• Импульс, вызванный включением и отключением мощных потребителей (электродвигателей, трансформаторов, конденсаторных батарей). При отключении индуктивной нагрузки происходит резкое изменение тока, что приводит к возникновению ЭДС самоиндукции и к перенапряжениям.
• Импульс, возникающий при включении ненагруженной линии – на перенапряжение за счет емкостного эффекта накладываются затухающие колебания емкости и индуктивности линии, частота которых зависит от длины линии.

Таблица 2. Форма, тип, длительность и амплитуда импульсов для теста защищаемых портов и интерфейсов

Для примера разберем обозначение испытания:

• 1,2/50…8/20 мкс; 6 кВ/3 кА. Это сочетание представляет собой комбинированный импульс напряжения с фронтом 1,2 мкc, длительностью 50 мкc, амплитудой 6 кВ и тока короткого замыкания с фронтом 8 мкc длительностью 20 мкc, амплитудой 3кА.
• 8/20 мкc; 10 кА/20 кА представляет собой волны импульса тока короткого замыкания 8/20 мкc 10 кА и 20 кА, производимого испытательным генератором.
• встречающееся далее в тексте сочетание СM/DM – характеристика испытательного режима для компонентов УЗИП: СМ-синфазный (Common Mode), DM-дифференциальный (Differential Mode).

При построении защитной цепи для входной сети основными используемыми компонентами являются газоразрядники, варисторы и модули УЗИП на их основе. Рассмотрим принцип работы и основные параметры этих компонентов подробнее.

Газоразрядные трубки 

Газоразрядные трубки или газоразрядники (Gas Discharge Tube, GDT) – устройства защиты электроники от перенапряжений. Состоят из металлических электродов, заключенных в герметичную керамическую или стеклянную трубку, заполненную инертным газом (например, неоном, аргоном или смесью). Когда напряжение между электродами превышает порог пробоя, газ становится ионизированным и проводящим, создавая путь низкого сопротивления для отвода тока импульса в землю. После прекращения перенапряжения газ деионизируется и возвращается в изоляционное состояние, позволяя цепи возобновить нормальную работу, как показано на рисунке 3, где:

• U1 – напряжение возникновения тлеющего разряда;
• U2 – напряжение возникновения полной ионизации;
• U3 – напряжение при пробое, возникновение дуги;
• I1 – ток пробоя;
• I2 – пиковый ток;
• I3 – ток устойчивой дуги.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика газоразрядника

GDT выпускаются с двумя электродами – для защиты одиночных линий относительно другой линии или заземления, и с тремя электродами – для защиты парных линий (рисунок 4).

Рис. 4. Условные обозначения газоразрядников

Основные параметры GDT:

• DC Sparkover (Breakdown) Voltage – напряжение, при котором происходит разряд в трубке под воздействием медленно возрастающего напряжения. Возможные диапазоны:
• минимальное – 75 В;
• среднее – 230 В;
• высокое – 500 В;
• очень высокое – 1000…4000 В.
• Impulse Sparkover Voltage – напряжение, при котором происходит разряд в трубке под воздействием быстро возрастающего импульса.
• Impulse Discharge Current – максимальное значение тока, которое GDT может выдержать без повреждений в пределах, установленных спецификацией.

Металл-оксидные варисторы

Это пассивные электронные компоненты, также обозначаемые как MOV (Metal Oxide Varistor), ограничивающие высокое напряжение, которое может возникнуть в результате молний, скачков напряжения в электросети или других электрических импульсов (рисунок 5). MOV работают по принципу нелинейного сопротивления: при нормальных условиях варистор имеет очень большое сопротивление, находясь в высокоимпедансном состоянии. Когда приложенное напряжение превышает определенный порог (напряжение пробоя), сопротивление варистора резко падает, что позволяет ему проводить импульс тока. Тем самым варистор ограничивает избыточное напряжение до безопасного уровня, защищая чувствительные компоненты. После снятия напряжения варистор возвращается в свое исходное состояние.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика варистора

MOV доступны в различных формах и размерах. Например, в виде диска со стандартными диаметрами 5, 7, 10, 14 и 20 мм. Также производятся блок-варисторы, которые используются в промышленных приложениях с требованиями повышенных мощности и поглощаемой энергии. MOV применяется при защите источников питания, линий связи, промышленного оборудования, бытовой электроники, медицинского оборудования, автомобильных систем, электронных гаджетов.

Устройства защиты от импульсных перенапряжений 

УЗИП (Surge Protection Device, SPD) – это комплексное защитное изделие, состоящее из варисторов , газоразрядников и токовых расцепителей. УЗИП мгновенно срабатывает при резком повышении напряжения, отводя избыточную энергию в землю. УЗИП выпускаются в модульном исполнении для установки в электрощиты или монтажа на плату.

При выборе защитного модуля SPD учитывают следующие параметры:

• Номинальное напряжение должно соответствовать номинальному напряжению защищаемой сети с учетом возможных длительных отклонений. Например, для сетей ~230 В рекомендуется применение SPD с номинальным напряжением 275 В для однофазного подключения и 320 В для трехфазного.
• Уровень защиты (Up) определяет максимальное напряжение, которое может появиться на выводах SPD при прохождении нормированного импульсного тока. Должен быть ниже допустимого импульсного напряжения защищаемого оборудования с запасом не менее 20%.
• Номинальный ток разряда (In) указывает, какую силу импульсного тока может выдержать SPD в течение длительного времени.
• Максимальный ток разряда (Imax) – наибольший единичный импульсный ток, который SPD может безопасно отвести.

Далее разберем практические примеры реализации защиты входа сетевого питания на основе рекомендаций компании Bencent.

Рассмотрим варианты защитных решений LPZ0 для входа питания ~220 В АС. В этой зоне должна обеспечиваться защита от прямого удара молнии, но нет требований для ослабления электромагнитного поля молнии. Благодаря ряду внешних устройств, таких как молниеотвод и заземляющее устройство, вероятность поражения объектов в этой зоне прямой молнией значительно снижается. Однако защита от наведенной молнии в этой зоне отсутствует, и оборудование легко подвергается воздействию индукции.

При оценке вариантов обращаем внимание на то, что используются некоторые общие правила по применению компонентов:

• при применении УЗИП на основе варисторов необходимо устанавливать компоненты защиты от сверхтоков – предохранители;
• для устранения недостатков, присущих разрядникам (появление сопровождающего тока) и варисторам (наличие тока утечки), а также для снижения остаточного напряжения и выделяемой на защитных элементах энергии, в более сложных УЗИП применяются комбинированная схема, в которой 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.

Решения для зоны LPZ0-1 (применения на мачтах) 

Защита трехфазного входа для модулей УЗИП (SPD)

Рис. 6. Защита трехфазного входа SPD

Схема защиты с мощным разрядником BUB801M-02, включенным между нейтральным проводом N и линией заземления PE, представлена на рисунке 6. Тестовые значения длительности импульса составляют 8/20 мкc, амплитуды – CM/DM 20 кА.

Защита входа питания усилителя мощности PAD

Рис. 7. Защита входа питания PAD с УЗИП BSPD220C20P-5

В данном решении для защиты используется готовое комплексное изделие – УЗИП BSPD220C20P-5 со встроенными варисторами, газоразрядниками и расцепителями для индикации состояния (рисунок 7). Тестовые значения длительности импульса – 8/20 мкс, амплитуды CM/DM – 20 кА. 

Защита входа питания адаптера

Рис. 8. Защита входа адаптера с УЗИП BSPD220C20P-2

Схема защиты с УЗИП BSPD220C20P-2 со встроенным расцепителем максимального тока и разрядником BM801M, последовательно включенным с двумя параллельными варисторами BMOV20D391KSCH для устойчивости к более высоким пиковым токам и поглощения более высокой энергии, представлена на рисунке 8. Тестовые значения длительности импульса – 8/20 мкс, амплитуды CM/DM – 20 кА. 

Защита входа питания адаптера с низкопрофильным УЗИП

Рис. 9. Защита входа адаптера с УЗИП BSPD230C20PF-01

Схема защиты с низкопрофильным УЗИП BSPD230C20PF-01, со встроенными последовательно расположенными каскадами газоразрядников для распределения падения напряжения, с шунтирующими конденсаторами, показана на рисунке 9. Тестовые значения длительности импульса – 8/20 мкс, амплитуды – CM/DM 20 кА.

Защита входа питания PAD

Рис. 10. Защита входа PAD с УЗИП BSPD230C20PF-02

Схема защиты с УЗИП BSPD230C20PF-02 с тремя газоразрядниками и дополнительным тепловым расцепителем (TCO) представлена на рисунке 10. Тестовые значения длительности импульса – 8/20 мкс, амплитуды CM/DM – 20 кА. 

Решения для зоны LPZ0-2 (шкафы на крыше с ВЧ-антеннами на опорах) 

Защита входа питания адаптера в зоне LPZ0-2

Рис. 11. Защита входа адаптера для зоны LPZ0-2

В данной схеме между фазой L и нейтралью N применен гибридный защитный компонент семейства BMG: BMG20D471K102Y (газоразрядник и варистор, соединенные последовательно в одном корпусе). Также схема защиты содержит варистор BMOV14D511KH последовательно с разрядниками B5G3600. Параллельно обмоткам синфазного фильтра подключены разрядники BZ301M (рисунок 11). Тестовые значения длительности импульса – 1,2/50…8/20 мкс, амплитуды DM – 10 кВ/5 кА, CM – 10 кВ/850 А.

Защита входа питания адаптера

Рис. 12. Защита входа адаптера с разрядником B8G600M-01

Схема защиты с варисторами BMOV14D561K с последовательно подключенными разрядниками B8G600M-01 показана на рисунке 12. Тестовые значения длительности импульса – 1,2/50…8/20 мкс, амплитуды СМ/DM – 10 кВ/5 кА.

Защита входа питания адаптера

Рис. 13. Защита входа адаптера с разрядником BGO6000A05-LC2

В данной схеме помимо стандартного варистора BMOV14D561K применен специальный разрядник BGO6000A05-LC2 с функцией fail safe, позволяющей безопасно отключить разрядник от цепи при его выходе из строя (рисунок 13). Тестовые значения длительности импульса – 1,2/50…8/20 мкс, амплитуды – СМ/DM 10 кВ/5 кА.

Для зоны LPZ0-3 (на улице, на стенах зданий, на подвесе) 

Защита входа питания адаптера для зоны LPZ0-3 

Рис. 14. Защита входа адаптера для зоны LPZ0-3

Схема защиты с варисторами BMOV14D561K, включенными последовательно с разрядниками B5G600L и B5G3600, показана на рисунке 14. Тестовые значения длительности импульса – 1,2/50…8/20 мкс, амплитуды СМ/DM – 10 кВ/3 кА при тестировании установкой Hipot AS1875V. 

Защита входа питания адаптера 

Рис. 15. Защита входа адаптера с разрядником BXD3000SA03M03

В схеме защиты применен трехвыводной разрядник BXD3000SA03M03, включенный последовательно с варисторами BMOV14D561K, один варистор включен между проводами L и N (рисунок 15). Тестовые значения длительности импульса – 1,2/50…8 /20 мкс, амплитуды CM/DM – 6 к/3 кА.

Защита входа питания адаптера

Рис. 16. Защита входа адаптера с SMD разрядниками

В схеме защиты, показанной на рисунке 16, применены варисторы BMOV14D561K, включенные последовательно с разрядниками BN601M, BN362M в SMD-исполнении для поверхностного монтажа. Тестовые значения длительности импульса – 1,2/50 мкс, амплитуды CM/DM – 6 кА/3 кА при тестировании установкой Hipot AS1875V.

Защита входа для накопителя электроэнергии солнечных батарей (аккумулятора)

Рис. 17. Защита входа для накопителя электроэнергии

В схеме защиты применены гибридные компоненты BMG20D391K102Y: варистор + разрядник в одном корпусе (рисунок 17). Тестовые значения длительности импульса – 8/20 мкс, амплитуды CM/DM – 5 кА.

Защита входа инвертора солнечных батарей

Рис. 18. Защита входа инвертора

В схеме защиты, представленной на рисунке 18, применены гибридные компоненты BMG20D751K102Y, включенные последовательно с разрядником B8G800M-02. Тестовые значения длительности импульса – 8/20 мкс, амплитуды CM/DM – 5 кА.

Основные параметры газоразрядников производства Bencent, представленных на складе КОМПЭЛ, приведены в таблице 3.

Таблица 3. Основные характеристики газоразрядников Bencent

Складская программа по варисторам представлена решениями от производителя Fenghua в дисковом исполнении с типоразмерами 5…20 мм (таблица 4).

Таблица 4. Основные параметры дисковых варисторов Fenghua

Для корректного выбора защиты от перенапряжений и помех важно знать, где будет расположено защищаемое электротехническое устройство. Например, на улице в щите, на мачте или внутри помещения, согласно регламентированным уровням зон безопасности. В зависимости от зон безопасности и требований испытаний для оборудования, расположенного в них, выбирается схемотехническое решение для исполнения защиты.

Принимая во внимание актуальность и сложность вопроса выбора защиты электрооборудования и электроники от импульсных перенапряжений и помех, специалисты компании КОМПЭЛ помогут Вам оценить риски повреждения оборудования, выдадут рекомендации по его защите и подберут необходимые для решения этой задачи электронные компоненты.