Рекомендации по применению УЗИП для цепей питания 220/380В

Ставить или не ставить 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). Если ваш объект попадает под действие этих документов, то ставить надо однозначно, если нет, то можно перейти ко второму, неформальному, подходу и продолжить анализ ситуации.

Так как УЗИП защищает в основном электронное оборудование, надо понять, есть ли вам что защищать. И здесь надо учитывать не только стоимость самого оборудования, но и возможные последствия выхода его из строя или даже просто сбоев в работе. Иногда выход из строя копеечного датчика приводит к остановке всего техпроцесса и многомиллионным потерям.

Далее надо попытаться понять, насколько велика вероятность попадания импульса на ваше оборудование, а также характер и величину этого импульса. Так, если объект расположен в городе и вокруг стоят более высокие дома, то вероятность попадания к вам серьёзного импульса достаточно мала. Если же объект стоит в чистом поле рядом с мачтой связи, то есть реальная возможность словить не только наведённый импульс, но и часть тока молнии (Рис.1).

А если вы ещё и питаетесь от воздушной линии, то вероятность такого исхода значительно увеличивается.

Существует 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 эту оценку экспертно, основываясь на результатах комплексной оценки электромагнитной обстановки объекта.

Итак, в результате длительных размышлений вы пришли к выводу, что выгоднее поставить внутреннюю молниезащиту, чем потом разгребать последствия экономии. Теперь предстоит выбор конкретных УЗИП и размещение их на объекте. Если решено защищать целиком всё здание и оборудование в нём, то необходимо подобрать УЗИП для установки во вводной шкаф.

Если на здании или в непосредственной близости от него есть молниеприемники или имеется воздушный ввод, то необходимо устанавливать УЗИП 1-го или 1+2 класса. Рекомендации МЭК по выбору мощности УЗИП показаны на рис. 2.

Считается, что при попадании молнии в систему внешней молниезащиты половина тока молнии уходит в землю, а вторая половина попадает на главную заземляющую шину (ГЗШ). Далее эти 50% тока распределяются равномерно по всем присоединенным к ГЗШ коммуникациям. Отсюда делается вывод, что мощность УЗИП определяется именно этой частью. Есть определённые сомнения в точности приведённых расчетов, т.к. вряд ли по силовому кабелю и телефонному проводу пойдут одинаковые токи. Да и по СНиПу водопроводные и отопительные трубы на вводе в здание должны иметь изолирующие вставки. Поэтому более правильным было бы считать, что те 50% тока молнии, которые попадают на ГЗШ, идут по силовому кабелю питания.

Учитывая, что 99% ударов молний в России имеют амплитуду менее 100кА, в расчетах можно исходить из этой цифры. И тогда при наличии УЗИП по каждому проводу питания пойдёт около четверти от тех 50кА, которые попадут на ГЗШ (при режиме нейтрали TNC), т.е. около 12,5кА. Это как раз та самая минимальная величина Iimp (10/350), допустимая для 1-го класса УЗИП. С учетом приблизительности всех этих расчетов, лучше брать УЗИП с током не менее 20кА (10/350) на фазу. Примером такого устройства может служить DS253E-300 производства CITEL c Iimp =25кА на фазу (рис. 3).

Если же вероятность попадания части прямого тока молнии исключена, то можно ставить УЗИП 2-го класса. Рассчитать, даже приблизительно, мощность наведённого импульса довольно сложно, поэтому для этих устройств наиболее ходовыми являются типовые параметры In=20kA (8/20) и Imax=40kA (8/20). Наиболее типичным представителем таких устройств является DS43S-230 производства CITEL (рис. 4).

УЗИП 2-го или 3-го класса могут также применяться после 1-го класса для защиты наиболее ответственного и чувствительного оборудования, если расстояние между ними более 15 м.

Если вас не интересует весь объект целиком, а нужно защитить только одну комнату с сервером внутри, то принципы подбора УЗИП мало отличаются от вышеизложенного. Можно только добавить, что в этом случае целесообразно применить УЗИП со встроенным ВЧ-фильтром, который не только защищает от импульсных перенапряжений, но и фильтрует ВЧ помехи малой амплитуды, например DS HF (рис. 5).

А теперь, когда определено, какие УЗИПы и где ставить, можно рассмотреть некоторые особенности их использования. Устройства для защиты по питанию могут иметь три типа подключения:

• параллельный, когда УЗИП подключается параллельно питающей цепи. Рабочий ток при этом через устройство защиты не идёт, т.е. вы можете его использовать при любой мощности системы электроснабжения. Сечение соединительных проводников должно выбираться в соответствии с рекомендациями производителя УЗИП.
• последовательный, когда УЗИП ставится в разрыв питающего провода. В этом случае устройство защиты должно иметь номинальный ток нагрузки IL больше максимального рабочего тока цепи, в которую оно установлено.
• V-образный тип подключения, когда рабочий ток цепи протекает по шунту, установленному внутри УЗИП (рис.6).

При таком подключении сечение ваших рабочих проводников не должно превышать максимально допустимого для УЗИП сечения. Типовая схема параллельного подключения УЗИП 1+2 класса в сеть TNC-S приведена на рис. 7.

Здесь есть одна тонкость, связанная с применением плавких вставок FU 1-3. Существуют рекомендованные производителем УЗИП номиналы данных устройств, например, для УЗИП 1+2 ступени с импульсными токами 25кА (10/350) на фазу оптимальными являются вставки 250А по характеристике gG/gL. При этом номинале через плавкую вставку может пройти импульс 25 кА (10/350) и она останется целой. Если взять вставку меньшего номинала, УЗИП будет недоиспользован, т.к. при приходе мощного импульса плавкая вставка сгорит и исключит из работы вполне исправный УЗИП. Т.е. система защиты будет работать только при импульсах значительно слабее тех, на которые рассчитан УЗИП.

С другой стороны, номинал входного защитного устройства ВА должен быть больше, чем номинал плавких предохранителей FU 1-3, чтобы в случае нештатной ситуации в цепи УЗИП сгорели плавкие вставки, а питание основного потребителя не прерывалось. Если это условие соблюсти нельзя, то лучше вообще обойтись без этих предохранителей, т.к. в случае нештатной ситуации входное защитное устройство всё равно отработает. При V-образном и последовательном соединении эти дополнительные предохранители отсутствуют в принципе.

Ещё одна особенность параллельного монтажа УЗИП заключается в том, что соединительные провода между УЗИП и точкой присоединения к сети не должны превышать 0,5м (ГОСТ Р 50571.26-2002). Это связано с тем, что микросекундный импульс перенапряжения является высокочастотным сигналом и имеет очень крутой фронт. А любой проводник, кроме активного сопротивления, имеет ещё и индуктивное. Оно очень маленькое, примерно 1 мкГн/м при сечении провода 16 кв.мм, и на промышленной частоте им обычно пренебрегают. Но при крутизне фронта тока (dI/dt) 1кА/мкс на каждом метре провода падает 1кВ. И это напряжение складывается с остаточным напряжением УЗИП и прикладывается к оборудованию (Рис.8).

При этом амплитуда импульса может значительно превысить допустимые для данного оборудования значения. Именно по этой причине нельзя ставить вместо предохранителей FU 1-3 автоматические выключатели. Каждый автоматический выключатель содержит катушку индуктивности, стоящую последовательно в рабочей цепи и имеющую индуктивность значительно большую, чем метр прямого провода. И в случае его использования при приходе импульса всё напряжение упадёт на автоматическом выключателе, а УЗИП при этом почти не будет работать.

Ещё один вопрос, который обычно встает перед инженером - нужно ли ставить УЗИП 2 или 3 класса после устройства типа 1+2, установленного во вводном щите? Ведь уровень напряжения защиты у этого устройства (Up) не более 1,5кВ, что не превышает уровень, характерный для 3 класса. Ответ — не обязательно, если расстояние по кабелю от УЗИП 1+2 класса до защищаемого оборудования не более 15-20м и рядом нет источников сильных наводок. Если же расстояние более 20 метров, то ставить очень желательно, а иногда и просто необходимо, т.к. ситуация может развиваться, как на рис.9. Здесь пришедший импульс перенапряжения ограничивается УЗИП до 1,5кВ, а уже внутри здания на него накладывается помеха, наведённая от различного мощного электротехнического оборудования. Сами по себе уровни этих помех не превышают допустимый для защищаемого оборудования, но вместе эти перенапряжения могут привести к сбоям и даже выходу оборудования из строя.

Стоит отметить, что для эффективной защиты от перенапряжений расстояние от места подключения УЗИП 2 или 3 класса до защищаемого оборудования не должно превышать 5 м.