Основные проблемы в электросети, которые могут повредить технику у потребителей, это повышенное или пониженное напряжение и импульсные перенапряжения. Для защиты от отклонения напряжения в сети от номинального используют реле напряжения, стабилизаторы и блоки бесперебойного питания. Подробнее об этом вы можете почитать в этой статье: Как защитить квартиру от превышения напряжения.
Сегодня мы разберёмся, что такое импульсные перенапряжения, и рассмотрим их особенности на примере варисторного ограничителя импульсных перенапряжений ОПС1 от компании IEK.
Общие сведения
Импульсное перенапряжение – это кратковременное превышение напряжения между фазами или между фазой и землёй. В быту это явление называют проще — скачки напряжения.
Примеры импульсных перенапряжений разного характера
Амплитуда импульсов может доходить до тысяч вольт, а их длительность лежит в пределах от единиц до сотен микросекунд. Из-за этого реле напряжения и стабилизаторы не могут защитить подключенные приборы — они просто не успевают их отключить. Импульсные перенапряжения зачастую приводят к поломке техники, особенно если она подключается к сети без сетевого фильтра и в схеме блоков питания нет защитных элементов. В некоторых случаях перенапряжения могут вызвать даже пробой изоляции кабелей и обмоток электрических машин.
Как и где возникают
Импульсные перенапряжения могут возникать из-за внутренних и внешних причин по отношению к защищаемой линии.
Внутренние источники импульсных перенапряжений – это коммутация мощной реактивной нагрузки, дуговые разряды, возникающие при коммутации или в результате пробоя изоляции, электростатические разряды.
Перенапряжения, которые возникают при включениях и отключениях чего-либо, называют ещё коммутационными перенапряжениями. Они возникают при внезапных изменениях параметров сети или переключениях в схеме:
-
включение и отключение линий электропередач;
-
трансформаторов, электрических двигателей;
-
при двухфазных и однофазных замыканиях и т. д.
Особенно часто при отключении мощного электродвигателя мы видим дугу в контакторах или рубильниках. Это и есть выброс в электрическую сеть запасённой в электромагнитном поле катушек энергии в виде высоковольтного импульса.
Внешние перенапряжения возникают по причинам, не связанным с процессами в электросети или подключённой нагрузкой, а в результате внешних воздействий: при прямых ударах молнии в провода линий электропередач или при ударах молнии в землю, в непосредственной близости к электроустановке, возле кабелей, ЛЭП и других элементов сети.
Выделяют и другие виды перенапряжений, которые вы можете увидеть на диаграмме ниже.
Основные виды перенапряжений в сетях высокого напряжения
Виды защиты
Для защиты электросетей и электроустановок от импульсных перенапряжений используют различные ограничители импульсных перенапряжений. В зависимости от места установки это может быть:
1. Разрядник — электрический аппарат, предназначенный для ограничения перенапряжений. Обычно устанавливается на подстанциях, линиях электропередач, телефонных линиях, в сетевых фильтрах. Изначально он выполнялся по технологии искрового промежутка, позже начали применять разрядники на основе полупроводников и металл-оксидных варисторов.
2. Ограничители перенапряжений (ОПН), они же устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Самый распространённый вид защиты в быту, основной элемент ограничителей – варисторы. Устанавливаются во вводных и распределительных электрощитах.
Также могут использоваться разделительные трансформаторы, защитные диоды и другие.
Повлиять на оборудование подстанций мы не вправе, но легко можем обеспечить защиту от импульсных перенапряжений в пределах объекта, то есть во вводном и распределительном электрощитах. Поэтому давайте рассмотрим особенности и принцип действия варисторных ограничителей.
Что нужно знать о варисторах
Варистор – это полупроводниковый резистор с нелинейной характеристикой. Его сопротивление изменяется в зависимости от приложенного напряжения.
Вольтамперная характеристика варистора
Если говорить простым языком, когда к варистору приложено небольшое напряжение, его сопротивление велико и ток через него почти не протекает. Но когда напряжение повышается до определённого уровня, через варистор резко начинает протекать ток. Сила протекающего тока тем больше, чем больше приложено напряжение, при этом они связаны нелинейно, что вы и можете видеть на вольтамперной характеристике выше.
Варисторы бывают разными в зависимости от материалов, из которых состоят, но самые распространённые из них это варисторы c карбидом кремния SiC и с оксидом цинка ZnO. От используемого полупроводника зависит форма вольтамперной характеристики, так у варисторов с ZnO получается ВАХ с высокой нелинейностью. Но они сложнее в изготовлении, если сравнивать с карбид-кремниевыми варисторами. Для примера, в ОПС1 от IEK используются варисторы из оксида цинка.
Устройство и принцип действия
При изготовлении варисторов полупроводниковый материал (SiC или ZnO) измельчают до частиц размерами в несколько десятков микрометров. Полупроводниковый порошок сам по себе обладает нелинейной ВАХ, но она нестабильна и сильно изменяется при сжатии, тряске и других воздействиях.
Для стабилизации характеристик и скрепления частиц порошка добавляют наполнитель —глину, смолу или стекло. Полученный состав спекают при высокой температуре (около 1700 °C). После спекания формируют диски или стержни, металлизируют две противоположные поверхности и припаивают металлические выводы, так и получают варистор.
На схемах варистор обозначают как перечёркнутый резистор с латинской буквой «U»
Нелинейность ВАХ связана со структурой варистора и процессами, которые в ней происходят. На иллюстрации изображена внутренняя структура варистора, он состоит из множества микроскопических, хаотично расположенных кристаллов произвольной формы, которые касаются друг друга.
Механизм электропроводности варистора
Если приложить к его выводам небольшое напряжение, то через соприкасающиеся грани начнёт протекать микроток, и при повышении напряжения он будет пропорционально повышаться. Но ток, протекающий через варистор в таком состоянии, настолько мал, что им можно пренебречь, и его называют током утечки. Не стоит забывать, что согласно закону Джоуля-Ленца при протекании тока выделяется тепло и температура на границах кристаллов повышается.
При дальнейшем повышении напряжения пропорционально увеличивается ток и начинает протекать не только через соприкасающиеся грани, но и между участками кристаллов с небольшими зазорами. Новые проводящие цепочки условно соединяются параллельно и снижают общее сопротивление варистора. Чем больше напряжение – тем больше ток и ещё больший нагрев.
Так как это кристаллы полупроводника, то при нагреве их сопротивление уменьшается. При дальнейшем повышении напряжения сопротивление варистора скачкообразно снизится до долей ома, и ток через варистор сильно возрастёт.
Напряжение, при котором варистор «откроется» и через него потечёт какой-то заданный ток, называют классификационным напряжением и обозначают как Uk.
Зачастую в технической документации на варистор, так называемых «даташитах», указывают классификационное напряжение для тока в 1 мА (если другого не указано!!!). Если вернуться в начало статьи и посмотреть на вольтамперную характеристику, то из неё видно, что классификационное напряжение у этого варистора около 60 вольт.
Таким образом, работа варистора похожа на работу двух стабилитронов, включённых последовательно навстречу друг другу: они ограничивают напряжение, открываясь при каком-то его значении, и пропускают «лишний» ток через себя. Для защиты от импульсных перенапряжений варисторы устанавливают параллельно защищаемой цепи, и их классификационное напряжение должно в 1.5-2 раза превышать номинальное напряжение этой самой цепи.
Варистор (R20) и элементы фильтра электромагнитных помех на входе блока питания
Варисторы используются во входных цепях качественных источников питания и в сетевых фильтрах, но как быть с техникой, в которой не предусмотрена такая защита?
Для этого и устанавливают в электрощитах устройства защиты от импульсных перенапряжений. Одно из таких устройств – это ОПС1 от компании IEK, его устанавливают для защиты электросети и подключённого оборудования от кратковременных высоковольтных импульсов напряжения, возникающих между фазами либо между фазой/нулём и землёй.
Так как ограничитель устанавливается параллельно защищаемой цепи, то несложно догадаться, что при построении защиты от импульсных перенапряжений выбирают такие варисторы, через которые протекает как можно меньший ток при номинальном напряжении защищаемой цепи. Но когда напряжение в ней повысится, то варистор должен «открыться» и начать проводить ток, пропустив высоковольтный импульс через себя, чтобы защитить нагрузку. Энергия импульсного перенапряжения рассеется на варисторе и не пойдёт дальше по проводке к электроприборам.
Как проверить УЗИП — измерение классификационного напряжения
При длительной работе в номинальном режиме вольтамперная характеристика варистора изменяется, потому что варистор деградирует. Причём основное изменение ВАХ происходит именно на участке малых токов, когда варистор «закрыт». То есть увеличится ток утечки, и он начнёт проводить ток, даже когда приложено напряжение ниже классификационного.
Причина этому – длительное приложение номинального напряжения и частоты, а также периодические импульсные грозовые и коммутационные перенапряжения. Срок службы и скорость деградации элемента зависит от его состава - вещества, которое связывает кристаллы полупроводника.
Интересно! Для изменения рабочих характеристик варистора необязательно постоянное воздействие импульсов высокого напряжения. Изменения происходят и в номинальном режиме, а скачки напряжения необязательно должны быть выше классификационного напряжения.
Основной и самый точный способ проверки устройств защиты от импульсных перенапряжений – это измерение классификационного напряжения при заданном токе. Как я уже говорил выше, обычно оно указывается при токе в 1 мА.
Измерить его можно при помощи регулируемого источника питания, плавно увеличивая напряжения до тех пор, пока через устройство не потечёт ток силой в 1 миллиампер. Измерение классификационного напряжения – это контроль работоспособности, не разрушающий варистор. Его нужно проводить как на новых элементах, так и в процессе их эксплуатации.
Характеристики и тесты УЗИП
Для примера разберёмся с характеристиками ограничителя ОПС1 от компании IEK. Специалисты Технического департамента компании провели измерения классификационного напряжения ограничителей ОПС1 всех типов. Для получения статистически верных измерений взяли 100 экземпляров ограничителей исполнения: ОПС1-B и ОПС1-C.
Для достоверности результатов измерения проводили двумя способами:
1. На испытательном стенде для измерения классификационного напряжения завода изготовителя.
2. С помощью прибора Е6-24 стороннего производства (НПФ «Радио-Сервис»). Это переносной мегомметр с функцией измерения классификационного напряжения в автоматическом режиме — методика измерения у Е6-24 следующая: прибор плавно повышает постоянное напряжение и контролирует ток, протекающий через варистор. Таким образом получают точные результаты с минимальными погрешностями и трудозатратами.
Мегомметр Е6-24
Прилагаем диаграммы, построенные по полученным результатам измерений. Здесь пунктирной линией выделены результаты, полученные с помощью измерительного стенда, а сплошной линией – прибором Е6-24.
Плотность вероятности классификационного напряжения ОПС1
В официальном каталоге продукции с сайта компании IEK на странице 69 приведены такие значения классификационных напряжений для каждого исполнения ОПС:
1. ОПС1-В — 700±5% В.
2. ОПС1-C — 650±5% В.
3. ОПС1-D — 530±5% В.
Как видно из графиков выше, заявленные данные соответствуют измеренным. Найти каталог вы можете по этой ссылке. Рекомендуем скачать и ознакомиться подробнее, начиная с 65-ой страницы.
Для чего нужны три вида УЗИП и как их подключать
Устройства защиты от импульсных перенапряжений или ограничители всегда подразделяются на виды или классы по напряжению срабатывания. Например, типы ограничителей перенапряжения компании IEK отмечаются латинскими буквами «B», «C» и «D». Маркировка простая, и чтобы было легче разобраться, можно просто запомнить: чем дальше буква в алфавите, тем меньше классификационное напряжение.
Подключаются УЗИП в зависимости от места установки и количества полюсов либо между фазой и землёй, либо между фазой, нулём и землёй, либо между фазами и землёй.
Схемы подключения ОПС1 из технической документации компании IEK
На схемах видно, что для использования устройств защиты от импульсных перенапряжений нужно наличие земли, то есть у вас должна быть система заземления TN-C-S, TN-S или TT. Если УЗИП подключается между фазами (третья схема с 3-полюсным аппаратом), то обеспечивается защита трёхфазных потребителей от межфазных импульсов в трёхфазных сетях, и все перенапряжения «сбрасываются» на землю. Если нужно защитить однофазных потребителей, то УЗИП подключают между фазой и землёй (первая схема с однополюсным аппаратом).
Но молния может ударить не только в фазный провод, но и в нулевой. Для защиты от этого можно устанавливать УЗИП между нулевым (N) и защитным (PE) проводником, что вы можете видеть на схемах с двух- и четырёхполюсными аппаратами (2 и 4 схема).
Интересно! Однополюсное исполнение ОПС1 можно применять для сборки многополюсных исполнений и для ремонта или замены отдельных полюсов.
Но для чего нужны УЗИПы на разные напряжения? Всё просто – для реализации многоступенчатой защиты, когда есть какой-то большой объект, в котором находятся вводной электрический щит и несколько распределительных щитов, и небольшие щиты у конечных потребителей. Пример такого объекта – офис или торговый центр. Тогда УЗИПы с большим классификационным напряжением устанавливают на вводе (ОПС1-B) и дальше по убывающей: в распределительном — ОПС1-C, у потребителей — ОПС1-D. Один из вариантов такой схемы вы видите на рисунке ниже.
Схема многоступенчатой защиты от перенапряжений из каталога
При такой схеме напряжение импульса ограничивается до нормальных значений не сразу, а понижается после каждой секции защиты, сначала до 700В, затем до 650В и на последнем этапе до 530В с допуском в ±5%.
Но, кроме схемы подключения, нужно учесть ещё несколько факторов: длину и сечение соединяющих проводников и расстояние между ступенями защиты.
Длина проводников, соединяющих ОПС1 с PEN- или PE- проводником, должна быть минимальной, а их сечение – не менее 25 мм².
Расстояние между соседними ступенями защиты должно быть не меньше 10 м. Это нужно для обеспечения последовательной работы ступеней защиты. Это связано с тем, что индуктивное сопротивление участка цепи при протекании импульсного тока возрастает, и на нём возникает падение напряжение, которое прикладывается к первой ступени защиты.
Индуктивное сопротивление линии вместе с активным обеспечивают необходимую постоянную времени задержки нарастания напряжения импульса на следующей ступени защиты. Если не выполнить это условие и расположить ступени защиты буквально в соседних электрощитах, то ко всем ступеням будет приложено всё напряжение импульса.
Если вы внимательно читали о принципе действия варистора, то понимаете, что при высоком напряжении его сопротивление резко уменьшается. То есть, когда происходит перенапряжение, варистор, можно сказать, замыкает цепь накоротко, и ток большой величины протекает от рабочего проводника в землю.
Чтобы избежать возгорания кабельной линии или проводки в электрощите, УЗИПы подключают только после автоматического выключателя. Некоторые производители выпускают УЗИП уже со встроенными «автоматами» или плавкими предохранителями, чтобы облегчить выбор защиты цепи от сверхтоков, возникающих при открытии варистора.
В обновлённой конструкции ОПС1 от IEK есть встроенная защита от КЗ – плавкая вставка. Она защищает линию, на которую варистор в ОПС «перенаправит» энергию от удара молнии.
Встроенная плавкая вставка подбирается по расчётному току короткого замыкания, который возникает при открытии конкретного варистора в результате значительного перенапряжения в электросети.
После перегорания плавкой вставки варистор отключается от цепи.
С одной стороны, цепь остаётся без защиты, и при повторном ударе молнии защищаемое электрооборудование может выйти из строя.
С другой, характеристики варистора могут существенно измениться после воздействия сильного перенапряжения, и он не сможет выполнять своих функций.
А если амплитуда импульса будет слишком высокой, то варистор может сгореть или даже взорваться, что может и вовсе привести к пожару. Да и статистически вероятность повторного удара молнии ниже, чем вероятность возгорания в результате протекания токов КЗ по кабельной линии через пробитый и замкнутый накоротко варистор.
При коммутационных перенапряжениях амплитуда импульса обычно ниже, чем при грозовых, и варистор, скорее всего, сможет их ограничить и продолжит выполнять свои функции. При этом предохранитель не разорвёт цепь, и УЗИП продолжит защищать электрооборудование в штатном режиме.
Поэтому установка плавкой вставки — экономичное решение, которое обеспечивает защиту от пожара и возгорания проводки при ударах молнии, когда амплитуда импульса и токи через варистор достигают слишком большой величины.
Интересно! С устройством УЗИП и подробным описанием конструкции вы можете ознакомиться в патенте, найти его можно здесь или Патент на УЗИП от IEK.pdf здесь.
Кроме того, УЗИП нужно ставить в отдельный несгораемый бокс: если защитное устройство разлетится, приняв на себя мощный импульс, то остальное оборудование не повредится.
Независимо от того, имеет УЗИП встроенную защиту от сверхтока или нет, устанавливаться он должен после вводного автоматического выключателя параллельно нагрузке.
Почему и когда важно устанавливать УЗИП
УЗИП – это единственный на сегодняшний день эффективный способ защиты электропроводки и оборудования от импульсных перенапряжений, принцип его работы заключается в «сбросе» энергии импульсного перенапряжения на землю.
Единственный недостаток этого способа – небесконечный срок службы защитного элемента. Варистор способен выдерживать перенапряжения многократно, но однажды выйдет из строя, когда в сети возникнет импульсное перенапряжение, энергия которого больше, чем он способен поглотить. Поэтому УЗИПы приходится периодически менять.
Это же сказано и в паспорте изделия:
Для проверки исправности ограничителя в процессе эксплуатации на лицевой панели есть индикатор. Если он окрашен в красный цвет, то устройство нужно заменить, в нормальном состоянии он зелёный.
Устройство и внешний вид индикатора износа
Внешний вид УЗИП со сработавшим индикатором (первые два модуля), их нужно заменить
В предыдущем поколении ОПС1 от IEK индикатор изменял цвет постепенно, и при затемнении на 3/4 относительно исходного состояния устройство нужно заменить.
Также проверку можно провести мегомметром с напряжением 1000В — измеренное сопротивление должно быть в диапазоне от 0,1 до 2 МОм. Если измеренное сопротивление выходит из указанного диапазона, то ограничитель нужно заменить.
Для ОПС1 производитель заявляет срок службы 15 лет и гарантирует работоспособность в нормальном режиме в течение 7 лет. Но, как отмечалось выше, устройство может выйти из строя при первой грозе, поэтому реальный срок службы зависит от высоты здания и зоны грозовой активности, географического положения.
Однако чудес не бывает — для надёжной защиты электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений установки УЗИПов недостаточно. Проблему нужно решать комплексно, то есть нужна правильно рассчитанная и выполненная система заземления, уравнивания потенциалов и молниезащиты.
Ну и наконец, стоит отметить, что расстояние от УЗИП до самой удалённой нагрузки должно быть не больше 30 метров по длине кабеля, что не так уж и много. Вряд ли в квартире вы будете устанавливать в комнатах небольшие щиты с УЗИПами, это, скорее, решение для офисов и других общественных мест.
Поэтому для подключения чувствительной к качеству электропитания техники, например, компьютеров, сетевого оборудования и прочего удобнее использовать сетевые фильтры со встроенным варистором, чем устанавливать много УЗИПов в электрощите на каждую линию или ставить щитки в каждой комнате.
Из этого возникает вопрос, нужен ли УЗИП в квартире, если на подстанции и во ВРУ должны быть установлены свои ограничители? Хуже от его установки не будет, но особого смысла в его установке в таком случае тоже нет, ведь линия от ВРУ до квартиры идёт по закрытому стояку, да и ввод в дом зачастую подземный.
Значительно большую пользу принесёт УЗИП в частном секторе, где дома подключаются к воздушной линии электропередач, в которую может легко ударить молния. Также в частном секторе часто наблюдаются скачки напряжения, вызванные включением мощного оборудования, например, электросварки. Тогда во вводном щите на улице рационально установить ОПС1-C, а в распределительном — ОПС1-D.
Заключение
В статье мы рассмотрели важную проблему электроснабжения - импульсные перенапряжения, которые могут стать серьезной угрозой для вашей электроники и электрических устройств. Мы изучили их особенности, причины возникновения, их опасность для подключенной техники.
Однако, хорошие новости заключаются в том, что существует эффективное средство защиты - варисторные ограничители. Эти устройства спроектированы для мгновенного реагирования на импульсные перенапряжения и нейтрализации их воздействия, обеспечивая надежную защиту для ваших электронных устройств.
Андрей Повный
