Идентификация и методы защиты от импульсного перенапряжения в цепях электропитания

23 июля 2012

Phoenix ContactстатьяПромавтоматика

логотип

Одной из главных причин возникновения импульсных перенапряжений в электроустановках и системах питания являются разряды молний. Хотя территория России не относится к зонам с высокой грозовой активностью, тем не менее, согласно статистике, на каждый квадратный километр приходится от 3 до 7 ударов молний. Электрооборудование объектов и зданий может быть повреждено на расстоянии до 2000 метров от точки приложения удара молнии в сельской местности и до 1500 метров — в городских условиях. Все вышесказанное, а также наметившаяся тенденция к увеличению грозовой активности в связи с глобальными изменениями климата, делает разряды молний серьезным фактором, оказывающим влияние на работоспособность инфраструктуры предприятий и жилых зданий. Результаты измерений токов разряда молний показывают, что их максимальные значения достигают порядка 200 кА. Величина генерируемых при этом импульсных перенапряжений зависит от сопротивления пути, по которому разряд молнии отводится в землю. Например, при ударе молнии в молниеотвод ее ток попадает в заземлитель и растекается в земле. Допустим, сопротивление заземления равно 10 Ом, в таком случае только омическая составляющая перенапряжения способна превысить мегавольтный уровень. Воздействие этого потенциала через такие явления, как индуцированные перенапряжения, занос высокого потенциала, растекание токов молнии через систему заземления способны привести к самым тяжелым повреждениям оборудования и электрических сетей. Грамотно спроектированная система первичной защиты, включающая внешнюю молниезащиту, систему заземления, экранирования и уравнивания потенциалов, способна существенно ослабить воздействия, вызванные разрядом молнии. Однако в большинстве случаев, чтобы снизить воздействия импульсных перенапряжений до безопасного для оборудования уровня, требуется использовать внутреннюю защиту — устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Коммутационные процессы
как причина возникновения импульсных перенапряжений

Импульсные перенапряжения, появляющиеся в связи с коммутационными процессами в сетях электропитания, происходят заметно чаще, чем импульсные перенапряжения, вызванные разрядом молний. Последствия их не столь сокрушительны, однако широта их воздействия на приборы существенна, т.к. даже небольшое повреждение или нарушение работы оборудования снижает общую готовность системы к работе. Появление опасных всплесков напряжения возможно даже при переключении стандартных конечных устройств, например, ламп дневного света, принтеров, компьютеров и электромоторов. Особенно сильно это проявляется при одновременной коммутации нескольких приборов.

Приборы с напряжением питания 230 В устойчивы к импульсным перенапряжениям от 1 до 2,5 кВ в зависимости от категории. Показательно, что при измерении перенапряжений при коммутации оборудования амплитуда импульса между нейтральным проводником и защитным заземлением достигает 4 кВ, хотя переключение происходит только в цепи активного проводника. Между фазным проводником и защитным заземлением импульсы напряжения могут достигать 6 кВ и выше. Из чего следует, что устройство должно быть защищено по всем подключенным к нему линиям.

Можно сказать, что каждая коммутационная операция в сети вызывает всплеск напряжения. Измерения показывают, что средние значения этих всплесков лежат в диапазоне 2,5…6 кВ. Разрушающий эффект однако присущ только импульсам с относительно длительной продолжительностью. Детальная информация о соотношениях амплитуды и частоты импульсных перенапряжений приводится в международном стандарте МЭК 62066-2002.

Идентификация разрушения оборудования,
вызванного импульсными перенапряжениями

Если повреждение уже имело место, то необходимо точно идентифицировать причину выхода из строя оборудования для возможности оценки потенциального риска и принятия адекватных мер. При анализе вышедшего из строя оборудования можно достаточно четко идентифицировать следы воздействия импульсного перенапряжения. Разрушения данного типа существенно отличаются от вызванных перегрузкой по току или длительным перенапряжением, приложенным к устройству. В случае импульсного перенапряжения на пострадавших частях электрооборудования видны следы так называемого «холодного взрыва» (рис. 1), тогда как при длительном перенапряжении на пострадавшем оборудовании присутствуют следы «горячего горения» (рис. 2).

Последствия воздействия импульсного перенапряжения

 

Рис. 1. Последствия воздействия импульсного перенапряжения

 

Последствие воздействия токов перегрузки

 

Рис. 2. Последствие воздействия токов перегрузки

 

Свидетельства воздействия импульсного перенапряжения:

  • Видимые следы поверхностного пробоя в форме черных линий на дорожках плат и контактах штекеров, маленькие пузырьки на плате;
  • Взорвавшиеся электронные компоненты: резисторы, полупроводники, микросхемы;
  • Изогнутые соединительные провода разрушенных компонентов, например, резисторов;
  • Взорванные коммутирующие устройства, например, УЗО;
  • Локальные поверхностные пробои кабельной изоляции;
  • Предохранители не сработали из-за слишком короткой длительности импульса (единицы или десятки микросекунд).

Свидетельства длительной перегрузки:

  • Видимые следы горения и следы теплового воздействия в виде вздутий на платах;
  • Оплавленные изоляция кабеля и штекеры;
  • Следы воздействия тепла на корпуса приборов в виде деформации;
  • Сгоревшие электронные компоненты;
  • Входные предохранители могли сработать.

Надежная защита от импульсных перенапряжений

Установка УЗИП третьего класса — важная защитная мера против часто встречающихся импульсных перенапряжений, вызванных коммутационными операциями в сети. Кроме того, УЗИП данного класса выполняют функцию третьей ступени защиты от импульсных перенапряжений, вызванных разрядами молний. Для этой задачи компания Phoenix Contact предлагает свои устройства защиты серии MAINTRAB (рис. 3), представляющие собой промежуточный штекер со встроенной схемой защиты для подключения к стандартным внешним розеткам.

Устройства защиты от импульсных перенапряжений MAINTRAB, класс 3

 

Рис. 3. Устройства защиты от импульсных перенапряжений MAINTRAB, класс 3

 

Также данный тип защиты может иметь исполнение для непосредственного монтажа на конечные защищаемые устройства, в кабельные каналы и установочные розетки, например, устройства серии BLOCKTRAB (рис. 4).

Устройства защиты от импульсных перенапряжений BLOCKTRAB, класс 3

 

Рис. 4. Устройства защиты от импульсных перенапряжений BLOCKTRAB, класс 3

 

Для защиты устройств, установленных в шкафах управления и автоматики, используются УЗИП третьего класса для монтажа на DIN-рейку, например, устройства серии MAINS-PLUGTRAB (рис. 5) производства Phoenix Contact.

Устройства защиты от импульсных перенапряжений MAINS-PLUGTRAB, класс 3, для установки на DIN-рейку

 

Рис. 5. Устройства защиты от импульсных перенапряжений MAINS-PLUGTRAB, класс 3, для установки на DIN-рейку

Для обеспечения всесторонней защиты цепей питания от импульсных перенапряжений используется многоступенчатая концепция защиты, которая позволяет защитить оборудование и от воздействий разрядов молний, и от перенапряжений, вызванных коммутацией оборудования. Данный принцип предложен в международном стандарте МЭК 61312-1 и полностью повторен в отечественном нормативе «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» 2003 г. Для этого принципа защиты рекомендовано использовать три класса УЗИП:

  • Класс 1- устанавливаются в главных распределительных щитах здания, используются в качестве первой ступени защиты и могут испытывать прямое воздействие растекающихся токов молнии, поэтому изготавливаются на базе самых мощных по способности отводить разрядные токи элементов- газонаполненных или воздушных разрядников.
  • Класс 2- устанавливаются во вторичных распределительных щитах, используются как вторая ступень защиты и, соответственно, на них воздействуют импульсы значительно меньшей энергии, изготовляются на базе мощных варисторов.
  • Класс 3- устройства для непосредственной защиты приборов от импульсных перенапряжений, связанных с коммутационными операциями, и от остаточных воздействий, вызванных разрядом молнии.

Отдельно стоит отметить УЗИП класса 1+2, представляющие собой комбинированные защитные устройства, которые позволяют отводить разрядные токи, характерные для УЗИП класса 1, и в то же время обладающие уровнем защиты (напряжение, при котором срабатывает УЗИП) и скоростью срабатывания, присущими устройствам класса 2. Установка таких устройств позволяет экономить место для монтажа и снижает общую стоимость системы защиты от импульсных перенапряжений. Известно, что для сохранения очередности срабатывания УЗИП класса 1 и 2 должны быть разнесены на расстояние не менее 10 м друг от друга, либо нужно использовать развязывающий дроссель. Большинство производителей для УЗИП класса 1+2 используют схемы, в которых каждая фазная цепь сети защищена только варистором с достаточно высокими значениями отводимых разрядных токов, как правило, порядка 12,5 кА (с формой испытательного импульса 10/350 мкс) на каждый полюс. Для типа сетей TN-S, в которых рабочий и защитный заземляющие проводники разделены, в схему между этими проводниками добавляется газонаполненный разрядник. Такая защита от импульсных перенапряжений, вызванных разрядами молний, не всегда бывает достаточна.

В устройствах класса 1+2 серии FLASHTRAB Compact производства Phoenix Contact (рис. 6) каждая линия защищена параллельно подключенными варистором и газонаполненным разрядником.

Устройство защиты от импульсных перенапряжений FLASHTRAB Compact, класс 1+2

 

Рис. 6. Устройство защиты от импульсных перенапряжений FLASHTRAB Compact, класс 1+2

 

Такая установка возможна благодаря использованию запатентованной схемы «активного управления энергией», которая предотвращает шунтирование первого каскада защиты (разрядника) более быстродействующим вторым каскадом (варистором) и предотвращает разрушение варистора при протекании через устройство разрядных токов большой мощности. УЗИП с использованием данной схемы позволяют отводить токи до 25 кА (с формой испытательного импульса 10/350 мкс) на каждый полюс. При этом обеспечивается уровень защиты 1,5 кВ, приемлемый для второй ступени защиты цепей электропитания.

Заключение

Несмотря на то что в настоящее время действующие в нашей стране нормативные документы, касающиеся защиты оборудования от импульсных перенапряжений, носят рекомендательный характер (исключением являются отраслевые стандарты Газпрома и РЖД), практика показывает, что использование УЗИП существенно снижает процент выхода из строя оборудования, нарушений в его работе, а следовательно, связанные с этим потери данных и время простоя систем. К сожалению, статистических данных о выходе оборудования из строя по причине воздействия на них импульсных перенапряжений в России нет. Но международная статистика говорит о том, что масштабы этого явления серьезны. Так по статистике немецких страховых агентств в прошлые годы около 22% повреждений и отказов оборудования были связаны с воздействием импульсных перенапряжений. Опасности подвергаются не только промышленное оборудование и приборы. От перенапряжений страдают инженерные системы зданий, в том числе и частного сектора. Только тщательно продуманная концепция использования специальных средств защиты от импульсного перенапряжения позволит вашей системе работать безопасно и эффективно.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: automation.vesti@compel.ru

 

•••

Наши информационные каналы

О компании Phoenix Contact

Компания Phoenix Contact основана в 1923 году, имеет штаб-квартиру в Восточной Вестфалии-Липпе, Германия. Объединяет четыре производственных комплекса в Германии и пять производственных предприятий за рубежом. Предприятие Phoenix Contact представлено более чем в 60 странах мира и предлагает широкий ассортимент изделий для промышленной электротехники, который включает в себя шесть направлений продукции - от датчиков до систем управления, от классических клемм и брызгозащищенных разъемов до бес ...читать далее