Что такое УЗИП и как сделать правильный выбор УЗИП

Основной российский документ, определяющий, что такое УЗИП, это ГОСТ Р 51992-2011 «Устройства для защиты от импульсных перенапряжений в низковольтных силовых распределительных системах».

Согласно этому ГОСТу «Устройство для защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП): устройство, которое предназначено для ограничения переходных перенапряжений и отвода импульсов тока. Это устройство содержит, по крайней мере, один нелинейный элемент». Стандарт распространяется на устройства для защиты электрических сетей и электрооборудования при прямом или косвенном воздействии грозовых или иных переходных перенапряжений. Данные устройства предназначены для подсоединения к силовым цепям переменного тока частотой 50-60 Гц на номинальное напряжение до 1000В (действующее значение) или 1500В постоянного тока.

Нижеприведенная информация поможет сделать правильный выбор УЗИП.

В зависимости от класса испытаний УЗИП делятся на 3 типа.

Испытания класса I предназначены для имитации частично направленных грозовых импульсов тока. УЗИП, подвергаемые таким испытаниям, рекомендуются для установки на линейных вводах в здания, защищённые молниезащитными (грозозащитными) системами, а также при воздушном вводе питания. Характерной особенностью данного класса является испытание импульсным током Iimp c формой волны 10/350 мкс (Рис.1). Важнейшим параметром, характеризующим УЗИП, является уровень напряжения защиты Up, который измеряется при In. Это «параметр, характеризующий УЗИП в части ограничения напряжения на его выводах, который выбран из числа предпочтительных значений». Его значение всегда выше остаточного напряжения Ures , т.е. пикового значения, появляющегося на выводах УЗИП вследствие прохождения разрядного тока заданной амплитуды. Up не должен превышать стойкость электрооборудования к импульсному напряжению, определённому в ГОСТ Р 50571.19-2000. Поэтому принято, что для УЗИП 1-го класса Up не превышает 4 кВ.

Испытания класса II предназначены для имитации наведённого в проводниках под действием электромагнитного поля импульса. УЗИП, подвергаемые таким испытаниям (УЗИП 2-го класса), предназначены для установки после УЗИП 1-го класса в промежуточные шкафы, либо во вводной шкаф, если отсутствует вероятность попадания части прямого тока молнии в систему электроснабжения. Испытания проводятся номинальным разрядным током In и максимальным разрядным током Imax . Оба импульса имеют форму волны 8/20 мкс, но разную амплитуду. При этом Imax > In. Импульс In УЗИП должен выдержать многократно при условии его остывания до комнатной температуры в промежутке между импульсами. Обычно количество выдерживаемых импульсов не менее 15 . Импульс Imax УЗИП должен выдержать однократно, при этом остаться живым. Уровень напряжения защиты Up для устройств 2-го класса не должен превышать 2,5 кВ.

Испытания класса III также имитируют наведённый импульс, но испытываются комбинированной волной напряжения 1,2/50 мкс и тока 8/20 мкс. При этом в параметрах указывается напряжение разомкнутой цепи Uoc и номинальный и максимальный токи In и Imax . Уровень напряжения защиты Up для 3-го класса не должен превышать 1,5 кВ. Это тот уровень, который должна выдерживать техника, даже не проходившая испытаний на устойчивость к микросекундным импульсным перенапряжениям. Поэтому данные устройства рекомендуется ставить в непосредственной близости от защищаемого оборудования (желательно не далее 5-7 метров, а в общем, чем ближе, тем лучше).

В новых каталогах можно встретить устройства класса 1+2 или 1+2+3. Это не значит, что в один корпус засунули два или три УЗИП. Просто один и тот же УЗИП успешно прошёл испытания, соответствующие как 1, так 2 и 3 классам. А раз одно устройство соответствует сразу всем трём классам, то и пишут, что оно имеет класс 1+2+3.

Ещё несколько важных параметров, которые необходимо знать для выбора УЗИП.

Максимальное длительное рабочее напряжение Uc – действующее значение переменного или постоянного тока, которое длительно подаётся на выводы УЗИП. Оно равно номинальному напряжению с учетом возможного завышения напряжения при различных нештатных режимах работы сети.

Номинальный ток нагрузки IL – максимальный длительный переменный (действующее значение) или постоянный ток, который может подаваться к нагрузке, защищаемой УЗИП. Данный параметр важен для УЗИП, подключаемых в сеть последовательно с защищаемым оборудованием. Так как большинство УЗИП подключаются параллельно цепи, то данный параметр у них не указывается.

Элементная база УЗИП в основном включает в себя газовые разрядники различной конструкции и оксидно-цинковые варисторы. Внешний вид газовых разрядников, производимых фирмой CITEL, показан на рис. 2.

Вольт-амперная характеристика газонаполенного разрядника приведена на рис. 3. При напряжении, не превышающем Uc , разрядник является хорошим изолятором, ток утечки IPE измеряется наноамперами, и им пренебрегают. При превышении напряжения ионизации (Up) начинается тлеющий разряд, ток через разрядник возрастает, а напряжение на нем снижается. При дальнейшем росте тока (до 1 -1,5А) происходит зажигание дуги. После того, как дуга зажглась, напряжение на разряднике практически перестаёт зависеть от тока и составляет от 15 до 30В в зависимости от типа разрядника. Для того, чтобы этот ток прекратился, необходимо либо снизить напряжение ниже напряжения на разряднике, либо уменьшить ток до уровня ниже тока гашения дуги. При этом выделяемая на разряднике мощность будет равна произведению тока на остаточное напряжение на разряднике. Из этого следуют два важных вывода:

• При срабатывании разрядника возникшая в нём электрическая дуга практически закорачивает не только импульс перенапряжения, но и цепь электропитания, т.е. после прохождения импульса перенапряжения возникает сопровождающий ток If, поддерживаемый самой системой электропитания (фактически ток КЗ для системы электропитания). Обычно этот ток прекращается при прохождении волны напряжения через ноль.
• Разрядник может пропускать через себя очень большие токи при сравнительно небольшой выделяемой на нём энергии.

Внешний вид варисторов показан на рис. 4.

Вольт-амперная характеристика оксидно-цинкового варистора приведена на рис. 5. При напряжении Uc варистор имеет небольшой ток утечки около 1мА. При подъёме напряжения выше этого значения варистор переходит на другую ветвь характеристики, где его ток значительно увеличивается при незначительном увеличении напряжения на его зажимах. Т.е. всю лишнюю энергию, которая попала в сеть и может поднять напряжение до опасного уровня, варистор пропускает через себя. В отличие от разрядника, напряжение на варисторе не падает, а поднимается, причём тем выше, чем больше через него ток.

Из этой характеристики видно, что:

Во-первых, варистор не имеет сопровождающего тока, т.к. при прохождении импульса и возврате напряжения к уровню Uc он автоматически переходит на другую ветвь характеристики.

Во-вторых, энергия, выделяемая на варисторе при прохождении импульса тока, значительно больше, чем при прохождении того же импульса через разрядник.

Чтобы исключить сопровождающий ток и, в то же время, уменьшить остаточное напряжение и выделяемую на устройстве энергию, фирмой CITEL была разработана технология VG, при которой варистор и разрядник соединены последовательно. Варистор исключает сопровождающий ток, разрядник исключает ток утечки, а их совместная работа уменьшает энергию, выделяющуюся на УЗИП и остаточное напряжение. Примерами таких устройств могут служить DS250VG и DUT250VG-300/G (Рис. 6) производства CITEL.

В настоящее время термин УЗИП распространяется на все устройства защиты от импульсных перенапряжений ниже 1000В переменного тока и 1500В постоянного, в том числе и слаботочные. Пока в России нет ГОСТа на УЗИП для слаботочных и информационных цепей, хотя в документах МЭК (международной электротехнической комиссии) такие стандарты имеются.

Чтобы облегчить задачу проектировщикам по применению устройств защиты, некоторые производственные структуры, такие как Газпром, Транснефть, ФСК ЕЭС выпустили собственные руководящие документы (РД). Остальным проектировщикам приходится руководствоваться либо документами МЭК, либо рекомендациями фирм - производителей УЗИП.

Несмотря на отсутствие государственных стандартов, жизнь заставляет всё шире применять УЗИП для слаботочных цепей. Для этой цели CITEL выпускает широкую номенклатуру устройств, защищающих различные цепи с рабочим напряжением от 5 до 170 Вольт и токи до 10А. Монтаж может осуществляться как на DIN-рейку, так и на шасси, стену или прямо на входные разъемы аппаратуры. Примеры подобных устройств приведены на рис. 7.

В отличие от устройств защиты по сети питания, эти устройства чаще всего включаются в защищаемую линию последовательно. В связи с особенностями защищаемых линий (малые токи, высокая частота, чувствительность к вносимым в линию сопротивлению, индуктивности, ёмкости), они имеют и несколько иную элементную базу. Чаще всего в них используются газовые разрядники, супрессорные диоды и иные полупроводниковые устройства, а также резисторы и высокочастотные индуктивности в различных комбинациях. Варисторы в схемотехнике УЗИП для защиты слаботочных и коаксиальных линий применяются редко в связи с их относительно большой ёмкостью и влиянием на полезный сигнал.

Настоящая статья дает краткий обзор по типам, конструкциям и особенностям применения УЗИП (устройств защиты от импульсных перенапряжений). УЗИП являются неотъемлемой частью комплекса молниезащиты современного объекта.