Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП): теория и практика.

28 Марта 2013

Что такое перенапряжение? Что такое импульсное перенапряжение? Каковы причины их возникновения? Чем они опасны? Какие существуют способы защиты? Как правильно выбрать и установить соответствующие аппараты защиты? На все эти вопросы мы и попытаемся дать ответы.

Часть 1. Импульсные перенапряжения: возникновение и последствия.

В предыдущих статьях на нашем сайте мы рассмотрели конструкцию, принцип действия, а также основы правильного выбора таких аппаратов защиты как автоматические выключатели, устройства защитного отключения, стабилизаторы напряжения. Казалось, было бы логично, если бы темой данной статьи стал вопрос выбора и компоновки вводного распределительного щитка с конкретными решениями, например, для двухкомнатной квартиры или коттеджа. Такая статья непременно появится на сайте в ближайшее время. А сегодня, мы можем с уверенностью сказать, что вышеуказанные аппараты в современных условиях уже не гарантируют обеспечения полноценной, надежной защиты электрической проводки, электрооборудования, компьютерной и бытовой техники. Напомним, что автоматические выключатели предназначены для защиты проводки от сверхтоков - коротких замыканий и перегрузки. Устройства защитного отключения предназначены для защиты от поражения электрическим током людей и животных при прямом и косвенном прикосновениях к открытым токоведущим частям электроустановок, а также от возникновения пожаров при длительном протекании токов повреждения. Стабилизаторы -предназначены для защиты от перепадов, бросков и просадок напряжения питающей сети. Однако, ни одно из этих защитных устройств, не обеспечивает защиту от импульсных перенапряжений.

Что такое перенапряжение? Что такое импульсное перенапряжение? Каковы причины их возникновения? Чем они опасны? Какие существуют способы защиты? Как правильно выбрать и установить соответствующие аппараты защиты? На все эти вопросы мы и попытаемся дать ответы.

Итак, перенапряжение – это любое напряжение, величина которого превышает величину наибольшего рабочего напряжения. На наибольшее рабочее напряжение рассчитана изоляция любой электроустановки, любого электрического аппарата или проводника. Соответственно, основная опасность воздействия перенапряжений – это нарушение целостности изоляции электроустановки, которая может привести к катастрофическим последствиям.

В зависимости от длительности и величины (амплитуды), перенапряжения можно разделить на два типа: длительные и импульсные.

Длительные перенапряжения характеризуются сравнительно небольшой амплитудой (несколько сотен вольт) и длительным временем воздействия (от нескольких миллисекунд до нескольких часов). Источником длительных перенапряжений являются различные проблемы в системах электропитания: неисправности трансформаторов напряжения, перерегулирование, обрыв рабочего нуля и т.д. В качестве защиты от данного типа перенапряжений используются стабилизаторы напряжения, реле контроля напряжения, источники бесперебойного питания.

Амплитуда импульсных перенапряжений может достигать нескольких десятков, а иногда и сотен киловольт, а длительность намного меньше одного полупериода (0,01с) – десятки и сотни микросекунд. Существуют также электростатические перенапряжения, с длительностью импульса измеряемого наносекундами и амплитудой в несколько киловольт. Однако, далее рассматривать их не будем, поскольку электростатические разряды обладают небольшой энергией и данная проблема решается в основном организационными мероприятиями: поддержание влажности на определенном уровне, применением токопроводящих напольных покрытий, спецодежды и т.д.

Существует два основных источника импульсных перенапряжений – переходные процессы в электрических сетях при коммутации оборудования и атмосферные грозовые разряды – молнии.

Токи, которые возникают вследствие появления данных перенапряжений, являются импульсными токами высокой частоты – от нескольких десятков до сотен килогерц при коммутационных перенапряжениях и порядка мегагерц при атмосферных. Таким образом, помимо нарушения изоляции электроустановок, импульсные перенапряжения создают высокочастотные электромагнитные помехи, которые могут вызвать сбои и нарушения в информационных и управляющих системах.

Отсутствие, неправильный выбор или ошибки установки средств защиты от импульсных перенапряжений приводят к выгоранию электронных элементов и плат, аппаратов и оборудования, установленных в силовых и распределительных щитах. Электродинамические усилия, возникающие при разрядах молнии, вырывают электрическую проводку из стен. Кроме явного влияния импульсных перенапряжений, вызывающего разрушение оборудования, существует также скрытое влияние – электронные схемы, постоянно подвергающиеся действию относительно малых импульсов перенапряжений, в итоге перегружаются и вызывают различные помехи. При этом сокращается срок службы и самих электронных элементов и, соответственно, приборов и оборудования, в котором они установлены.

Импульсные перенапряжения имеют отрицательное воздействие не только на электронную аппаратуру, но и на изоляцию кабелей и проводов систем электроснабжения. Высокоамплитудный импульс может вызвать пробой изоляции между проводами. Такой пробой несет местное повреждение изоляции, не приводящее к короткому замыканию. Таким образом, линия питания остается в работе, но в месте повреждения начинают протекать токи утечки небольшой величины, на которые не реагирует дифференциальная защита, особенно если повреждение возникло между фазными проводами. При этом в месте повреждения изоляция нагревается и ускоряется процесс ее старения, что опять же приводит к сокращению срока службы электроустановки.

В технической литературе описаны сотни случаев возникновения аварийных ситуаций и проблем в промышленности и коммерческом секторе, вызванных импульсными перенапряжениями. Чаще всего финансовые потери возникают из-за остановки производства. Потерянные данные и информация намного превышает ущерб, нанесенный непосредственно самому оборудованию. Так, например, в одном из европейских банков при удаленном ударе молнии были выведены из строя более 50 персональных компьютеров, работа учреждения была остановлена на несколько дней. В результате, банк понес многомиллионные убытки. В аэропорту Франкфурт-на-Майне, в результате воздействия импульсного перенапряжения, ложно сработала система пожаротушения в башне управления полетами - в результате более 200 самолетов пришлось в аварийном порядке отправлять на другие аэродромы. Ущерб составил несколько десятков миллионов долларов, при том, что затраты на систему защиты от импульсных перенапряжений составили бы порядка 1,5-2 тыс. долларов.

Почему же проблема импульсных перенапряжений становится с каждым годом все острее и острее? Ведь в принципе гроз и, соответственно, молний больше не становится (хотя исследования американских ученых показали, что при увеличении загрязнения окружающей среды происходит существенное увеличение количества молний, а атмосфера Земли с каждым годом не становится чище). Все дело в том, что применение микропроцессорной и электронной техники, как в промышленности, так и в быту, становится все более массовым. Без компьютера, принтера, музыкального центра, микроволновой печи уже трудно себе представить офис компании или квартиру, а без программируемых логических контроллеров, частотных преобразователей и различных реле контроля и управления невозможно организовать современное производство. А ведь именно электронная, микропроцессорная техника наиболее подвержена влиянию импульсных перенапряжений и высокочастотных помех. Так что проблема импульсных перенапряжений – это своего рода «дань» техническому прогрессу.

Вопрос защиты оборудования от импульсных перенапряжений стоит в Украине еще более остро, чем в Европе, поскольку наша страна во многом отстает и по уровню технической подготовки, и по совершенству нормативной базы, и по экономическому развитию. Построение эффективной защиты от импульсных перенапряжений требует намного большей грамотности и компетентности технических специалистов, чем выбор и установка автоматических выключателей или устройств защитного отключения. А как показывает практика, уровень знаний и умений многих электриков, не говоря уже об обычных людях, крайне невысок. В ПУЭ (Правила устройства электроустановок), на сегодняшний день, защита от импульсных перенапряжений на стороне низкого напряжения регламентируется только для воздушных линий, а внутренняя защита даже не упоминается. Главным камнем преткновения является не только низкий уровень доходов, но и непонимание проблемы, а также желание сэкономить на том, на чем экономить не стоит. Люди в основном руководствуются принципом «авось пронесет». Это подтверждает и наша собственная практика – практически после каждого случая прохождения грозы, в технический отдел компании поступают десятки звонков с проблемами, вызванными выходом из строя электротехнического оборудования и бытовой техники при прямом или удаленном попадании молнии.

В Европе применение устройств защиты от импульсных перенапряжений, как устройств защитного отключения, уже достаточно давно стало обязательным. В принципе, никто не заставляет использовать УЗИП, но и ни одна европейская страховая компания не возьмется страховать объект без данного вида защиты. Как показывает европейская статистика, начиная с 2000 года, после начала массового применения УЗИП, количество страховых случаев повреждения и разрушения, вызванных ударами молнии снизилось в десятки раз.

Теперь подробнее рассмотрим два основных вида импульсных перенапряжений, о которых мы уже упоминали выше.

Коммутационные перенапряжения возникают при отключении аппаратами защиты коротких замыканий, включения или отключения индуктивных нагрузок – пуска или остановки двигателей или отключения понижающих трансформаторов на подстанциях, при присоединении емкостных нагрузок – конденсаторных батарей.

Так, например, короткое замыкание на стороне высокого напряжения может вызвать импульс перенапряжения на низкой стороне амплитудой до 15кВ и более.

В принципе, все приборы и аппараты, имеющие в своем составе катушку индуктивности, конденсатор или трансформатор на входе могут быть источниками коммутационных перенапряжений за счет высвобождения энергии накопленной в реактивных элементах при коммутации. А так как такие элементы есть практически во всем бытовом и промышленном оборудовании, то получается, что коммутационные импульсные перенапряжения регулярно воздействуют на наши сети и оборудование. Однако надо понимать, что элементы небольшой мощности могут быть причиной возникновения незначительных электромагнитных помех и небольших по амплитуде перенапряжений, к которым устойчива изоляция данного оборудования. Это относится только к оборудованию и приборам, соответствующим определенным требованиям. Требований этих всего два и они достаточно просты:
1. Создаваемые оборудованием электромагнитные помехи не должны влиять на нормальное функционирование другого оборудования.
2. Оборудование должно быть устойчивым к электромагнитным помехам, которое создает другое оборудование, работающее в нормальном режиме.

Данные требования прописаны в техническом регламенте по электромагнитной совместимости оборудования, утвержденном постановлением Кабинета Министров Украины от 29.07.2009 г. № 785, и обязательном к применению с 1 января 2010 года.

И все-таки, наиболее опасным и разрушительным видом импульсных перенапряжений являются атмосферные перенапряжения – удары молнии. Величина тока при разряде молнии может достигать значений до 400кА. В условиях Восточной Европы в 90% случаев грозовых разрядов - средняя величина достигает 50-70кА и в 1% – до 100кА.

Удары молнии могут быть прямыми, то есть непосредственно в здание или сооружение. Степень опасности при этом зависит от наличия или отсутствия системы внешней молниезащиты. Если такой системы нет, то вследствие воздействия молнии возможны повреждения строительных конструкций и их воспламенение, поскольку температура канала молнии достигает 25000°С. Возникающие при этом перенапряжения, вызовут нарушения и разрушения электрических приборов и электропроводки.

При наличии внешней молниезащиты, разряд молнии будет отведен на землю, при этом никаких повреждений строительных конструкций не произойдет. Важно также понимать, что от заноса высокого потенциала в систему электроснабжения и электромагнитных помех, внешняя молниезащита вашу технику не убережет, хотя грамотно построенная система значительно снизит величину импульса и вероятность серьезных последствий.

Удары молнии в линии электропередач высокого и низкого напряжения, линии связи, телекоммуникационные сети также вызывают импульсные перенапряжения большой амплитуды. Поэтому возможно возникновению таких ситуаций, когда грозовой фронт еще далеко, а импульсные перенапряжения уже вывели из строя электронную технику. Распространение таких волн перенапряжений по сети возможно на расстояние до 20 километров от места попадания молнии.

Возможны также повреждения оборудования и техники при непрямых ударах молнии. Например, при ударе молнии в отдельно стоящее дерево, возможно возникновение импульсных перенапряжений в системе электроснабжения значительной амплитуды в радиусе полутора, а по некоторым данным, двух километров.

Вероятно также наведение импульса перенапряжения на проводах воздушной линии при разрядах молнии между облаками, т.е. без попадания молнии в объект или землю.

Учитывая все вышесказанное, вероятность возникновения и распространения импульсных перенапряжений, со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями, достаточно высока. Какие же существуют методы и способы защиты от импульсных перенапряжений и базовых принципах построения данной защиты мы расскажем во второй части статьи.

Ожидайте продолжение …



Вернуться к списку