Защита от перенапряжений

Обычно в любых электрических сетях (силовых, слаботочных, информационных) напряжение находится в пределах, определяемых техническими нормативами. Тем не менее, иногда напряжение выходит за нормативные рамки. Наиболее опасными являются отклонения в большую сторону. Такие отклонения называются перенапряжениями. Рассмотрим, какие бывают перенапряжения, и оценим, какую опасность они представляют для цепей и подключённого оборудования.

1 КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Во-первых, это длительные перенапряжения, вызванные различными проблемами в источниках электропитания. Например, из-за неисправности понижающего трансформатора, плохого контакта в нейтрали, «отгорания» нуля и т. д. Подобные перенапряжения имеют сравнительно небольшую амплитуду, однако действуют длительное время и, таким образом, представляют вполне реальную угрозу при эксплуатации оборудования.

Во-вторых, это миллисекундные перенапряжения, длительность которых измеряется максимум несколькими полупериодами питающей сети. Они имеют несколько большую амплитуду и чаще всего возникают из-за коммутации мощных реактивных нагрузок. В этом случае в работе оборудования могут возникнуть сбои.

В-третьих, это микросекундные импульсные перенапряжения (МИП), появляющиеся в результате действия естественных или искусственных факторов. Ярким примером являются молнии. Спектр искусственных факторов гораздо шире. Это могут быть различные переходные и коммутационные процессы в электросетях, импульсы при работе мощных тиристорных приводов, сварочных аппаратов. Время воздействия импульса может составлять десятки и сотни микросекунд (много меньше одного полупериода), амплитуда напряжения может достигать десятков киловольт, а ток - до ста килоампер. Последствия воздействия МИП на электронное оборудование и электропроводку могут быть фатальными.

В-четвёртых, это наносекундные импульсы. Чаще всего возникают из-за воздействия статического разряда. Они имеют большую амплитуду (десятки киловольт), но малый ток и минимальное время действия. Избежать этой проблемы в значительной степени помогут организационные мероприятия: заземляющие браслеты, специальная одежда, токопроводящие напольные покрытия, создание определённой влажности в помещении.

2 ИСТОЧНИКИ МИКРОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИИ (МИП)

Так как природа этих импульсов разная, то и способы защиты от них тоже сильно отличаются. Некоторые из этих методов хорошо известны электрикам. Например, для защиты от длительных и миллисекундных перенапряжений широко применяются стабилизаторы напряжения, реле контроля напряжения, источники бесперебойного питания.

В последнее время в связи с развитием и широким внедрением электронной техники на микросекундные импульсы и защиту от них было обращено особое внимание. Несколько десятков лет назад проблемы микросекундных импульсных перенапряжений не было вообще. Всё промышленное оборудование в основном строилось на базе электромеханических устройств, не чувствительных к МИП. Доля полупроводниковой техники была незначительн и сводилась, в основном, к силовым диодам, тиристорам, транзисторам. С приходом в нашу жизнь микроэлектроники и микропроцессорной техники ситуация в корне изменилась, поскольку эти устройства чувствительны даже к очень коротким перенапряжениям. Для решения проблемы электротехническим концерном CITEL были разработаны особые методы и специальные устройства (УЗИП), речь о которых и пойдёт далее.

Все микросекундные импульсные перенапряжения можно разделить на две группы (рисунок 1).

Первая — это прямое воздействие на электрическую сеть и аппаратуру части тока молнии. Такой ток может попасть в здание по различным линиям, идущим снаружи здания. Например по линиям питания переменного и постоянного тока различного напряжения, информационным линиям, кабелям, идущим от антенн и другого оборудования на мачте. Часть тока может попасть в здание через систему заземления при ударе молнии в систему внешней молниезащиты или рядом со зданием.

Вторая — это электромагнитные наводки различной природы. Наведённые импульсы перенапряжения могут приходить не только извне, но и генерироваться внутри здания.

Рисунок 1. Попадание микросекундных импульсов в оборудование

3 СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ МИКРОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Рассмотрим наиболее распространённые методы защиты от этих воздействий.

• На объекте, особенно при наличии внешней молниезащиты, должна быть хорошая, грамотно сделанная система заземления. Она минимизирует занос тока молнии на ГЗШ и, соответственно, к оборудованию (рисунок 2).
• В здании должна быть система уравнивания потенциалов, не позволяющая возникать большой разности потенциалов между отдельными частями конструкции здания и оборудованием.

Важно отметить, что оба эти мероприятия защищают от поражения электрическим током не только оборудование, но и людей.

Грамотная прокладка и экранирование проводов и кабелей значительно уменьшает вредное воздействие МИП на оборудование (рисунок 2). Арматура железобетонных конструкций также способствует существенному ослаблению электромагнитных наводок.

Рисунок 2. Воздействие импульса перенапряжения на аппаратуру в здании

• Применение устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) или ограничителей перенапряжений (ОПН).

Первые три способа достаточно хорошо прописаны в руководящих документах. Что касается применения УЗИП для защиты от микросекундных импульсных перенапряжений, то при кажущейся простоте этих устройств, их применение имеет некоторые тонкости и нюансы, начиная с обоснования необходимости применения и кончая правилами монтажа.

4 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ УЗИП И ОПН

Итак, применять или не применять УЗИП? Для ответа на этот вопрос имеются два подхода. Первый подход — формальный. Обязательность применения УЗИП прописаны в ПУЭ 7-е издание (п. 7.1.22), СП31-110-2003 (п. А5.2), ГОСТ Р 50571.19-2000, а также в некоторых ведомственных документах (РД Транснефть, СТО Газпром, СТО ФСК ЕЭС, РЖД). Если ваш объект попадает под действие этих документов, то применять УЗИП необходимо в соответствии с требованиями данных документов, если нет, то следует перейти к оценке возможных рисков и анализу электромагнитной обстановки.

Поскольку УЗИП защищает в основном электронное оборудование, надо понять, есть ли устройства, требующие защиты. Здесь надо учитывать не только стоимость оборудования. Более важным фактором могут стать возможные последствия выхода из строя или даже простой сбой в работе системы. Иногда поломка копеечного прибора приводит к остановке всего техпроцесса и многомиллионным потерям.

Импульсные перенапряжения негативно влияют не только на электронную аппаратуру, но и на кабели системы электроснабжения. Так как импульс имеет очень высокую амплитуду напряжения, то может произойти пробой изоляции между проводами (например, фазой и нейтралью или между проводом и землёй). Импульс длится максимум сотни микросекунд, следовательно защитные автоматы не успевают среагировать на него (самые лучшие автоматы защиты имеют время срабатывания единицы миллисекунд). В результате пробоя возникает только местное повреждение изоляции, не приводящее к короткому замыканию. Линия электропитания продолжает работать, а в месте повреждения изоляции возникает небольшой ток утечки. Этот миллиамперный ток не фиксируется никакими автоматами защиты (если он идёт между фазами, или между фазой и нейтралью). Зато он начинает разогревать изоляцию кабеля. В результате ускоряется процесс старения изоляции, ее сопротивление в данном месте уменьшается, и ток утечки продолжает расти. Этот процесс будет длиться месяцами и годами, и может привести к возгоранию электропроводки. Именно поэтому руководящие документы настоятельно рекомендуют устанавливать ограничители перенапряжения (УЗИП) при воздушном вводе в здание.

Далее надо попытаться понять, насколько велика вероятность попадания импульса перенапряжения на ваше оборудование, а также характер и величину этого импульса. Если объект расположен в городе и вокруг стоят более высокие здания, то вероятность попадания молнии достаточно мала. Если же объект стоит в чистом поле рядом с мачтой связи, то есть реальная возможность «словить» не только наведённый импульс, но и значительную часть тока молнии (рисунок 1). А если ваш объект запитан от воздушной линии электропередач, то вероятность события значительно увеличивается.

Существует международный стандарт МЭК 62305-2 по оценке рисков, связанных с молниезащитой. Российские федеральные стандарты не содержат методики расчета или чётких рекомендаций о необходимости применения специализированных защитных устройств. Поэтому приходится проводить экспертную оценку, основываясь на результатах анализа комплексной ситуации электромагнитной обстановки объекта.

Рекомендации по выбору и монтажу УЗИП производства электротехнического концерна CITEL содержатся на сайте Интернет-Магазина CITEL-RUS по адресу: www.citel-rus.ru.